Brevet FR2711149A1 — publié le 19950421

L'invention concerne les enveloppes de pneumatiques renforcées avec des fils métalliques. L'invention concerne en particulier les enveloppes de pneumatiques renforcées avec des fils en acier inoxydable. La demande de brevet FR-A-2 096 405 décrit une enveloppe de pneumatique qui comporte une couche de renforcement disposée entre les couches de la carcasse et la bande de roulement en caoutchouc, la surface radialement extérieure de cette couche étant renforcée par des câbles métalliques d'acier inoxydable. Aucune mention d'utilisation d'acier inoxydable dans la carcasse des pneumatiques n'est faite dans cette demande dont le but est de prévenir la corrosion des câbles en acier situés dans le sommet des enveloppes de pneumatiques, cette corrosion étant due à l'humidité qui atteint les câbles à travers les fissures et les coupures du caoutchouc provoquées par un vieillissement ou un passage sur des clous. La demanderesse' a constaté de façon inattendue que l'on pouvait observer une diminution de l'endurance des câbles en acier dans les nappes carcasses des enveloppes de pneumatiques, par suite de phénomènes de fatigue et d'usure provoqués par la présence d'eau dans les zones de la carcasse, et ceci même en l'absence de coupures et de fissures du caoutchouc. L'eau responsable de cette altération des propriétés des câbles pénètre probablement dans les zones de la carcasse, en provenance de l'extérieur, par migration à travers le caoutchouc, par exemple depuis le gaz de gonflage, ou elle se trouvait déjà initialement à l'intérieur de l'enveloppe, par suite d'une teneur en humidité notable des gommes utilisées ou par suite de la cuisson. Enfin, cette eau peut probablement aussi provenir d'une incorporation de l'air ambiant dans les gommes, lors du calandrage des câbles. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients ou de les atténuer dans une large mesure. En conséquence, l'invention concerne un fil d'acier pour carcasse d'enveloppe de pneumatique caractérisé par les points suivants: a) son diamètre est au moins égal à 0,05 mm et au plus égal à 0,5 mm; b) sa résistance à la rupture en traction est au moins égale à 2000 MPa; c) l'acier du fil est inoxydable et il comporte au moins 0,02 % et au plus 0,2 % de carbone, au moins 3 % et au plus 20 % de nickel, au moins 12 % et au plus 28 % de chrome, la somme du nickel et du chrome étant au moins égale à 20 % et au plus égale à 35 %, toutes ces valeurs en % étant des % en poids; -2- d) la structure de l'acier comporte au moins 50 % en poids de martensite et elle est dépourvue d'austénite ou elle en comporte moins de 50 % en poids. L'invention concerne également les assemblages destinés à être utilisés dans les carcasses de pneumatiques, ces assemblages comportant au moins un fil conforme à l'invention. L'invention concerne également les carcasses d'enveloppes de pneumatiques comportant au moins un fil ou un assemblage conformes à l'invention. L'invention concerne également les enveloppes de pneumatiques comportant au moins une carcasse conforme à l'invention. L'invention concerne également un procédé pour préparer le fil conforme à l'invention, ce procédé étant caractérisé par les points suivants: a) on part d'un fil en acier inoxydable dont le diamètre est au moins égal à 0,3 mm et au plus égal à 3 mm; l'acier du fil comporte au moins 0,02 % et au plus 0,2 % de carbone, au moins 3 % et au plus 20 % de nickel, au moins 12 % et au plus 28 % de chrome, la somme du nickel et du chrome étant au moins égale à 20 % et au plus égale à 35 %, tous les % étant en poids; la structure de cet acier est entièrement austénitique ou pratiquement austénitique; b) on effectue au moins un traitement d'écrouissage, sans traitement thermique, le taux d'écrouissage total ú étant au moins égal à 1,5. 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 s d'un écrouissage est donné par la formule s = Ln (So/Sf), 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. Par définition, la ductilité en torsion du fil est le nombre de tours de torsion sur lui- même que le fil peut supporter. Cette mesure est réalisée sur une longueur de fil égale à 500 fois le diamètre. On maintient une extrémité de ce fil dans une mâchoire fixe, et on maintient l'autre extrémité dans une mâchoire rotative que l'on fait tourner de telle sorte que l'axe de rotation soit le même que l'axe du fil, la tension lors de cette torsion -3- étant égale à 5 % de la force de rupture du fil mesurée avant torsion, et on compte le nombre de tours nécessaires pour provoquer la rupture du fil. L'invention sera aisément comprise à l'aide des exemples non limitatifs qui suivent. 1.- Réalisation du fil conforme à l'invention Exemple 1 On utilise un fil d'acier inoxydable dont les caractéristiques sont les suivantes Structure entièrement austénitique. Diamètre: 0,5 mm. Composition (%O en poids): C = 0,1; Cr = 17,5; Ni = 7,5; Mo = 0,7; Mn = 1,3; Si = 1,8; cet acier comportant en outre les impuretés inévitables habituelles. Ce fil d'acier est recouvert d'une couche de nickel d'environ 1 micromètre. Ce fil ainsi revêtu de nickel a une résistance à la rupture en traction de 900 MPa et un allongement à la rupture de 60 %. On effectue sur ce fil revêtu de nickel un dépôt de cuivre puis un dépôt de zinc, par voie électrolytique à la température ambiante et on chauffe ensuite thermiquement par effet joule à 540 C pour obtenir du laiton par diffusion du cuivre et du zinc, le rapport pondéral (phase a)/(phase ac + phase B) étant égal à 0,85. On effectue alors sur ce fil un tréfilage à froid en milieu humide avec une graisse qui se présente de façon connue sous forme d'une émulsion dans de l'eau. Ce tréfilage est effectué en plusieurs fois, le taux de déformation total s obtenu par cet écrouissage étant de 2,04. Aucun traitement thermique n'est effectué sur le fil après l'obtention du revêtement de laiton. -4- Le fil obtenu a un diamètre de 0,18 mm, le revêtement de nickel et de laiton qui l'entoure a une épaisseur très faible, inférieure au micromètre, ce qui est négligeable par rapport au diamètre du fil d'acier. Les caractéristiques du fil obtenu sont les suivantes: Structure de l'acier: phase martensitique supérieure à 50 % en poids. Résistance à la rupture en traction: 2500 MPa. Allongement à la rupture: 1 %. Ductilité en torsion: 70 tours. Lors du procédé de fabrication du fil, le revêtement de nickel permet un bon accrochage du revêtement de laiton sur l'acier, et le revêtement de laiton facilite l'écrouissage du fil, ainsi que le collage du fil avec le caoutchouc lors de l'utilisation du fil dans une enveloppe de pneumatique. Exemple 2 On utilise le même fil de départ que pour l'exemple 1, à la différence que son diamètre est de 0,8 mm. On réalise les mêmes opérations que pour l'exemple 1 mais de telle sorte que le taux de déformation total ú de l'écrouissage soit égal à 3. Le fil obtenu a un diamètre de 0,18 mm, ici encore l'épaisseur du revêtement de nickel et de laiton ayant une épaisseur négligeable par rapport à ce diamètre. Le fil obtenu a les caractéristiques suivantes: Structure de l'acier: phase martensitique supérieure à 50 % en poids. Résistance à la rupture en traction: 2800 MPa. Allongement à la rupture: 1 %; Ductilité en torsion: 190 tours. -5- 2 - Essais sur courroies On réalise des assemblages de formule (1 + 6 + 12) constitués chacun d'une âme formée par un fil unique entourée d'une couche de 6 fils cette couche intermédiaire étant elle-même entourée d'une couche extérieure de 12 fils. Tous les fils des assemblages sont conformes au fil obtenu dans l'exemple 1 et ils sont donc conformes à l'invention, de même que ces assemblages. L'âme de chaque assemblage est pratiquement dépourvue de torsion et les deux couches qui l'entourent ont le même pas, égal à 10 mm, et le même sens d'enroulage. La force à la rupture de chaque assemblage est de 1150 N. On réalise d'autre part des assemblages témoins connus ayant chacun la même structure (1 + 6,+ 12) que les assemblages conformes à l'invention, mais dont les fils sont des fils connus de diamètre 0,18 mm en acier perlitique écroui non inoxydable, comportant 0,7 % en poids de carbone, ces fils ayant chacun une résistance à la rupture de 2670 MPa, un allongement à la rupture de 1 % et une ductilité en torsion de tours, la force à la rupture de chaque assemblage étant de 1255 N. Les assemblages conformes à l'invention d'une part et les assemblages témoins d'autre part sont incorporés dans des courroies sans fin réalisées chacune avec un mélange connu à base de caoutchouc semblable à ceux qui sont couramment utilisés pour les carcasses de pneumatiques. L'axe de chaque assemblage est orienté selon la direction longitudinale de la courroie dans laquelle il est incorporé. On obtient donc deux courroies identiques, à l'exception des assemblages de renfort qui s'y trouvent, l'une étant renforcée par les assemblages conformes à l'invention et l'autre étant renforcée par les assemblages témoins. Dans chaque courroie, les assemblages sont séparés des faces de celle-ci par une épaisseur de gomme qui est d'environ 1 mm. On fait subir à ces deux courroies les mêmes sollicitations de la façon suivante. On fait tourner chaque courroie autour de deux galets, de telle sorte que chaque portion élémentaire de chaque assemblage soit soumise à une tension de 138 N et subisse des cycles de variation de courbure qui la font passer d'un rayon de courbure infini à un rayon de courbure de 40 mm, et ceci pendant 50 x 106 cycles. -6- Lors de l'essai, la température et l'humidité de l'air au contact des courroies sont les mêmes pour ces courroies et sont celles de l'air ambiant, soit environ 20 C et environ % d'humidité relative. La durée des sollicitations de chaque courroie est de l'ordre de 3 semaines. A la fin de ces sollicitations, on extrait de la même façon les assemblages des courroies par décorticage, et on mesure la force de rupture de chaque fil de ces assemblages en faisant une moyenne d'une part pour les assemblages conformes à l'invention et d'autre part pour les assemblages témoins. On réalise d'autre part deux courroies identiques aux précédentes, l'une renforcée avec les assemblages de l'invention, l'autre avec les assemblages témoins, et on décortique de la même façon que précédemment ces courroies, mais cette fois sans les soumettre au préalable à des sollicitations, et on mesure la force de rupture de chaque fil de ces assemblages en faisant des moyennes comme précédemment. Cette valeur moyenne de force de rupture pour les fils conformes à l'invention et pour les fils connus servent ainsi de témoins. On constate que la réduction de la force à la rupture des fils après sollicitation, par rapport à la force à la rupture témoin est la suivante: - moins de 3 % pour les fils conformes à l'invention; - 15 % pour les fils connus perlitiques écrouis. On constate donc que les fils conformes à l'invention permettent de diminuer très notablement la réduction de la force à la rupture des fils. Cette réduction de la force à la rupture est due à l'usure des fils causée par l'action conjointe des sollicitations et de l'eau provenant de l'air ambiant, ces conditions étant comparables à celles auxquelles sont soumis les fils de renfort dans des carcasses d'enveloppes de pneumatiques. 3 - Essais sur pneumatiques On réalise des assemblages conformes à l'invention comportant chacun trois fils identiques à celui de l'exemple 1. Chacun de ces assemblages est un toron dans lequel les trois fils sont enroulés ensemble avec un pas de 10 mm. La force à la rupture de ce toron est de 196 N. On réalise d'autre part des assemblages connus identiques aux précédents mais dans lesquels le fil connu est celui en acier perlitique écroui décrit pour l'essai avec courroie. La force à la rupture de chacun de ces torons connus est de 212 N. On réalise deux enveloppes de pneumatiques, l'une comportant une carcasse réalisée avec les assemblages conformes à l'invention, l'autre comportant une carcasse réalisée avec les assemblages connus, ces enveloppes étant identiques par ailleurs. On monte ces enveloppes sur des jantes identiques, et on les gonfle à la même pression avec de l'air saturé en humidité. On fait ensuite rouler ces enveloppes, sous la même charge et à la même vitesse, sur un volant de 5 m de développement. L'enveloppe témoin, comportant la carcasse renforcée avec les assemblages connus, présente une rupture de ces assemblages au bout de 40 000 km, ainsi qu'une usure notable des fils, alors qu'on ne c9nstate aucune rupture des renforts de carcasse dans l'enveloppe conforme à l'invention au bout de 70 000 km, l'usure des fils au bout de ce temps étant très peu prononcée. L'invention permet donc d'augmenter très notablement la résistance à la fatigue et à l'usure des fils d'acier pour carcasses d'enveloppes de pneumatiques, et donc les enveloppes conformes à l'invention qui comportent ces fils se caractérisent par une durée de vie notablement allongée. La composition et la structure particulières de l'acier inoxydable utilisé pour réaliser le fil conforme à l'invention permet d'obtenir un fil fmin par écrouissage. Lors de l'écrouissage, l'austénite se transforme progressivement en martensite ce qui permet d'obtenir une bonne résistance à la rupture en traction pour le fil terminé conforme à l'invention. Si la somme des teneurs en nickel et en chrome est supérieure à celle revendiquée, on retarde l'apparition de la phase de martensite lors de l'écrouissage et la résistance mécanique du fil terminé est insuffisante. Par contre, si la somme des teneurs en nickel et en chrome est inférieure à celle revendiquée, la phase de martensite apparaît trop tôt lors de l'écrouissage et il est impossible d'obtenir des fils fins. Enfin le taux d'écrouissage revendiqué permet une bonne ductilité en torsion et donc garantit une utilisation possible du fil pour réaliser des assemblages. Les procédés et dispositifs pour réaliser ces assemblages sont connus de l'homme de l'art et ils ne sont pas décrits ici pour la simplicité de l'exposé, ces procédés et ces dispositifs étant par exemple basés sur les principes du câblage et du retordage. 8 - En résumé, le fil conforme à l'invention se caractérise par les points suivants: - bonnes propriétés mécaniques permettant son utilisation dans les carcasses de pneumatiques; - bonne ductilité permettant sa transformation aisée pour obtenir des assemblages; - augmentation de la durée de vie des enveloppes o il est incorporé par résistance à l'action de l'eau. Dans les exemples du procédé conforme à l'invention, le fil de départ utilisé comportait un revêtement de nickel et on effectuait un traitement de laitonnage avant de réaliser l'écrouissage, mais d'autres modes de réalisation sont possibles, par exemple en remplaçant le nickel par une autre matière métallique, notamment le cuivre, ou en réalisant l'écrouissage sur un fil de départ dépourvu de revêtement métallique. De préférence on a au moins une des caractéristiques suivantes pour le fil conforme à l'invention: - le diamètre du fil est au moins égal à 0, 12 mm et au plus égal à 0,3 mm; - la résistance à la rupture en traction est au moins égale à 2400 MPa; - la teneur en carbone de l'acier est au moins égale à 0,05 % et au plus égale à 0,15%; - la somme du nickel et du chrome est au moins égale à 22 % et au plus égale à 30 %; - la ductilité en torsion est au moins égale à 30 tours et plus préférentiellement au moins égale à 50 tours. De préférence dans le procédé conforme à l'invention on a au moins une des caractéristiques suivantes: - le fil de départ a un diamètre au moins égal à 0,4 mm et au plus égal à 2 mm; - la teneur en carbone de l'acier est au moins égale à 0,05 et au plus égale à 0,15%; - la somme des teneurs en nickel et en chrome est au moins égale à 22 % et au plus égale à30 %; - le fil de départ est revêtu de nickel ou de cuivre; - on effectue un revêtement de laiton avant écrouissage; - l'écrouissage est réalisé par tréfilage humide avec une graisse en suspension dans l'eau; - le taux d'écrouissage total E est au moins égal à 2. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation précédemment décrits. -9 - REVENDICATIONS 1. Fil d'acier pour carcasse d'enveloppe de pneumatique caractérisé par les points suivants: a) son diamètre est au moins égal à 0,05 mm et au plus égal à 0,5 mm; b) sa résistance à la rupture en traction est au moins égale à 2000 MPa; c) l'acier du fil est inoxydable et il comporte au moins 0,02 % et au plus 0,2 % de carbone, au moins 3 % et au plus 20 % de nickel, au moins 12 % et au plus 28 % de chrome, la somme du nickel et du chrome étant au moins égale à 20 % et au plus égale à 35 %, toutes ces valeurs en % étant des % en poids; d) la structure de l'acier comporte au moins 50 % en poids de martensite et elle est dépourvue d'austénite ou elle en comporte moins de 50 % en poids. 2. Fil selon la revendication 1, caractérisé en ce que son diamètre est au moins égal à 0,12 mm et au plus égal à 0,3 mm. 3. Fil selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que sa résistance à la rupture en traction est au moins égale à 2400 MPa. 4. Fil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'acier du fil comporte au moins 0,05 et au plus 0,15 % de carbone. 5. Fil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans l'acier du fil la somme du nickel et du chrome est au moins égale à 22 et au plus égale à30%. 6. Fil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que sa ductilité en torsion est au moins égale à 30 tours. 7. Fil selon la revendication 6, caractérisé en ce que sa ductilité en torsion est au moins égale à 50 tours. 8. Assemblage comportant au moins un fil conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7. - 10 - 9. Carcasse pour enveloppe de pneumatique, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un fil conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7 et/ou au moins un assemblage conforme à la revendication 8. 10. Enveloppe de pneumatique comportant au moins une carcasse conforme à la revendication 9. 11. Procédé pour préparer le fil conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, ce procédé étant caractérisé par les points suivants: a) on part d'un fil en acier inoxydable dont le diamètre est au moins égal à 0,3 mm et au plus égal à 3 mm; l'acier du fil comporte au moins 0,02 % et au plus 0,2 % de carbone, au moins 3 % et au plus 20 % de nickel, au moins 12 % et au plus 28 % de chrome, la somme du nickel et du chrome étant au moins égale à 20 % et au plus égale à 35 %. tous les % étant en poids; la structure de cet acier est entièrement austénitique ou pratiquement austénitique; b) on effectue au moins un traitement d'écrouissage, sans traitement thermique, le taux d'écrouissage total e étant au moins égal à 1,5. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on utilise un fil de départ dont le diamètre est au moins égal à 0,4 mm et au plus égal à 2 min. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que l'acier du fil comporte au moins 0,05 et au plus 0,15 % de carbone. 14. Procédé selon une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que dans l'acier du fil, la somme du nickel et du chrome est au moins égale à 22 et au plus égale à 30 %. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le fil de départ comporte un revêtement de nickel ou de cuivre. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 15, caractérisé en ce l'on effectue un revêtement de laiton sur le fil de départ avant de réaliser l'écrouissage. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 16, caractérisé en ce que l'écrouissage est réalisé par tréfilage humide avec une graisse en suspension dans l'eau. - il - 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 17, caractérisé en ce que le taux d'écrouissage total ú est au moins égal à 2. t