Brevet FR2729596A1 — publié le 19960726

PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES METALLIQUES PAR FORGEAGE LIBRE ET MATRICAGE SOUS PRESSE DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le travail et le formage de pièces métaliaques, dont le matériau constitutif est de densité élevée, tel aue le tungstène, le molybdène, le rhénium, l'uranium, le tantale et leurs alliages. Elle concerne en Darticu!ier des pièces ayant une forme de -O révolution, creuse, telles aue des charges creuses ou des charges generatrices de noyaux. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE La recherche de l'amélioration des performances des charges creuses et des charges produisant un jet de 1 matière à très hautes vitesses pousse des fabricants à utiliser des métaux plus lourds, c'est-à- dire de très haute densité. On cherche ainsi à fabriquer des revêtements de charges creuses constitués de métaux très lourds. Or, la reproductibil!ié dans la fabrication des charges génératrices de novaux dépend de nombreux oaramètres tec-hnologciaues liées à la conception du système de charge, mais surtout de La reproductibilité de la structure métallurgique uti'sée pour constituer le revêtement de la charge. E.n particulier, des revêtements de densité élevée, comme le tantale, ne peuvent pas être fabriqués en série avec une qualité stable quant aux performances, notamment auand la qualité de la structure métallurgique n'est pas stablisée. Le but de l'invention est de remédier à cet 3o Inconvénient en proposant un procédé de corroyage et de recristallisacion de métaux lourds, tels que le tantale, au' efface l'hérédit.é structurale du matériau de départ et qui permet d'obtenir des pièces isotropes, de structure parfaitement reproductible et à grains fins. D'autre part, on connait, par la demande de brevet européen 0 389 367, un procédé d'obtention de pièces en cuivre et de structure très fine, à partir d'un lopin issu de coulée continue. Ce procédé comprend les principales phases suivantes: - malaxage du lopin par des cycles de refoulement et d'étirage; - tronçonnage du lopin en ébauches destinées à former chacune une pièce finie; - formage en matrice des ébauches à température ambiante; et - traitement thermique de recristallisation pour obtenir une taille de grains inférieure à 40 pm. La première phase de malaxage comprend en particulier un premier refoulement du lopin, un premier étirage, un deuxième refoulement, puis un deuxième étirage. Ces quatre opérations s'effectuent à une température comprise entre 400 et 480'C. Or, les figures de cette demande de brevet montrent que ces différentes phases de refoulement et d'étirage se font toujours selon le même axe initial du lopin, c'est-à-dire que les refoulements et les étirages se font selon un même axe du lopin. Ce procédé ne fait travailler la matière constitutive du lopin que selon deux dimensions. L'opération dans la troisième direction ne se réalise que pendant le matriçage de la pièce. RESUME DE L'INVENTION L'objet principal de l'invention est un procédé de fabrication de pièces métalliques par forgeage libre et matriçage sous presse à partir de lopins à chacun desquels est lié un repère orthogonal à trois dimensions X, Y, Z, le procédé comprenant les étapes suivantes: - premier refoulement selon le premier axe X; - premier étirage; - deuxième refoulement; - deuxième étirage; - forgeage en matrice; et - traitement thermique de recristallisation. Selon l'invention, le premier étirage se fait suivant le deuxième axe Y, le deuxième refoulement se fait suivant le deuxième axe Y, et le deuxième étirage se fait suivant le troisième axe Z. Le procédé selon l'invention est particulièrement destiné à être appliqué à des matériaux de densité élevée; il se fait alors à température ambiante. Des refroidissements par trempe peuvent être pratiqués après certaines étapes ou entre certaines opérations de certaines étapes. De préférence, le premier refoulement selon le premier axe X se fait à la presse et comprend: - une seule opération de refoulement avec un taux de corroyage T inférieur à 2,3; et - une trempe. Le premier étirage selon le deuxième axe Y se fait de préférence à la presse par: - une mise au carré par pression sur les faces perpendiculaires aux premier et troisième axes X et Z; - un premier étirage par pression sur les arêtes parallèles à l'axe Y pour obtenir un profil octogonal; - une trempe; - un étirage par pression sur le centre pour obtenir un dégorgeage du centre de l'ébauche; - une trempe; - un deuxième étirage par action sur les faces parallèles à l'axe Y pour obtenir un profil octogonal; - un étirage par pression sur les arêtes de l'octogone pour obtenir une mise au rond de la pièce, c'est-a-dire une surface externe quasi cylindrique; et - une trempe. Le deuxième refoulement selon l'axe Y se fait de préférence à la presse par les étapes suivantes: - forgeage des faces d'extrémité pour ménager une surface d'appui sur chacune d'elles; - refoulement en une ou plusieurs opérations avec un taux de corroyage inférieur à 2,3, suivie chacune d'une trempe. Le deuxième étirage selon l'axe Z se fait de préférence à la presse par les opérations suivantes: - mise au carré par action sur les faces perpendiculaires aux premier et deuxième axes X et Y; - trempe; étirage par pression sur le centre pour obtenir un dégorgeage du centre de l'ébauche; - mise au carré par action sur les faces X et Y; - étirage par pression sur le centre pour obtenir un dégorgeage du centre de l'ébauche; - étirage par pression sur les faces perpendiculaires aux premier et deuxième axes pour obtenir un profil octogonal; - étirage par pression sur les arêtes de l'octogone pour obtenir une mise au rond; et - une trempe. Avant d'effectuer le forgeage en matrice de pièces minces, on effectue de préférence: - un découpage du lopin pour obtenir des disques; - un dressage par tournage des faces planes d'extrémité des disques. Le forgeage se fait de préférence par les étapes suivantes: - matriçage en outillage fermé à la presse; - calibrage au marteau pilon; et - trempe. Dans le cas o le matériau est du tantale, le traitement thermique de recristallisation se fait à une température avoisinant 970'C pendant environ 1 h et s'effectue sous vide. LISTE DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de différentes figures représentant respectivement: - figure 1, le premier refoulement du procédé selon l'invention; - figures 2A à 2F, le premier étirage dans le procédé selon l'invention; - figure 3, le deuxième refoulement dans le procédé selon l'invention; - figures 4A à 4G, le deuxième étirage dans le procédé selon l'invention; - figure 5, le tronçonnage dans le procédé selon l'invention; - figures 6A et 6B, le forgeage en matrice dans le procédé selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Le procédé selon l'invention est en particulier réalisable avec des matériaux différents et des lopins de dimensions différentes, mais en particulier avec des lopins de tantale de 70 mm de diamètre et de 140 mm de hauteur. Un tel lopin est représenté sur la figure 1. Un repère orthogonal à trois axes X, Y et Z est associé à ce dernier et lui restera lié pendant toute la description du procédé. Ceci permettra de mieux définir les différentes directions dans lesquelles sont appliquées les différentes déformations au lopin. Ce repère doit être visualisé sur le lopin pour faciliter l'exécution du procédé. PREMIERE ETAPE: premier refoulement selon le premier axe X. La première étape du procédé consiste à effectuer un premier refoulement selon le premier axe X, placé verticalement sur la figure 1. Selon la taille et le matériau, ce refoulement est effectué en une ou plusieurs opérations à la presse. Le taux de corroyage T, c'est-à-dire le rapport de la dimension initiale selon l'axe considéré et la dimension finale, est de l'ordre de 2. Pour des pièces en tantale, il peut atteindre 2,3. Au-dessus de cette valeur, des problèmes de flambage apparaissent. L'opération se fait à température ambiante dans le cas du tantale. Une trempe peut éventuellement être effectuée après chaque opération successive. En effet, la déformation de la forme du lopin étant relativement importante, des échauffements internes correspondants ont lieu à l'intérieur de la masse de matériau. Dans le cas d'un lopin de tantale d'une hauteur de mm et d'un diamètre de 70 mm, cette première opération peut être effectuée en une seule déformation à la presse de 1 200 tonnes, à la vitesse de 5 mm/s. A la fin de la déformation, le lopin est de préférence trempé, sa température en surface pouvant dépasser 100'C. DEUXIEME ETAPE: premier étirage selon le deuxième axe Y. En référence aux figures 2A à 2F, la deuxième étape du procédé consiste en un premier étirage. Selon l'invention, cet étirage est effectué le long du deuxième axe Y. Pour cela, le lopin 2 est mis sur champ, de manière à ce que le premier axe X soit horizontal, le deuxième axe Y horizontal et face au forgeron, le troisième axe Z étant vertical. Les différentes opérations de cette étape s'effectuent également de préférence à la presse. Dans le cadre de travail de lopins en tantale, de la dimension décrite précédemment, les différentes opérations peuvent être les suivantes. a - Une mise au carré est d'abord effectuée pour obtenir un lopin de 70 mm de côté. Pour effectuer cette opération, celui-ci peut être tourné plusieurs fois de ' autour du deuxième axe Y pour que cette mise au carré puisse s'effectuer alternativement selon les premier et troisième axes X et Z, comme le montrent les figures 2A et 2B. Une trempe peut être effectuée à la fin de cette opération de mise au carré pour refroidir le lopin 3. b - En référence à la figure 2C, le lopin 4 est étiré, toujours dans la direction du deuxième axe Y, mais de manière à ce que sa section perpendiculaire au deuxième axe Y soit orthogonale. L'octogone ainsi obtenu peut avoir un côté égal à environ 70 mm. Cette forme est obtenue en agissant sur les arêtes perpendiculaires aux premier et troisième axes X et Z obtenues après la mise au carré précédente. Une trempe peut bien entendu terminer cette opération d'étirage octogonal. c - Compte tenu de la longueur du lopin 4 ainsi obtenu, en référence à la figure 2B, on éprouve le besoin d'effectuer un dégorgeage du milieu de ce lopin. Cette opération consiste à effectuer un étirage par pression sur le centre du lopin 5. En effet, ces précédentes opérations d'étirage ne repoussent pas toujours la matière de manière uniforme le long du deuxième axe Y. En particulier, au milieu du lopin 5, cette masse a tendance a être un peu plus importante. Le dégorgeage permet donc d'uniformiser la répartition de la matière le long de l'axe d'étirage, en l'occurrence le deuxième axe Y. d - En référence à la figure 2E, l'étirage selon le deuxième axe Y se poursuit par l'amincissement de l'octogone ainsi obtenu pour obtenir une barre octogonale 6 dont le côté avoisine 65 mm. On utilise toujours la presse pour agir sur ces différentes phases de l'octogone parallèles au deuxième axe Y. e - Cet étirage selon le deuxième axe Y peut se terminer par une mise au rond du lopin 6 pour obtenir une barre cylindrique 7, comme le montre la figure 2F. Une trempe peut bien évidemment terminer cet étirage selon l'axe Y. On précise que dans le cas des lopins de tantale, il est avantageux de procéder à température ambiante. Durant cet étirage, le taux de corroyage est environ égal à 2. Il peut être légèrement supérieur (2,3) et évidemment bien inférieur. TROISIEME ETAPE: deuxième refoulement selon le deuxième axe Y. En se reportant à la figure 3, le procédé selon l'invention consiste à refouler selon le deuxième axe Y la barre cylindrique 7 ainsi obtenue par un étirage selon ce même axe Y. Les faces d'appui 7A de la barre cylindrique 7 ne sont bien souvent pas planes. En effet, les différentes opérations précédentes tendent à déformer ces deux faces d'appui 7A. Dans ce cas, les extrémités 7A peuvent être reprises par le forgeron à la presse pour reformer des surfaces d'appui. Ensuite, cette barre 7 est mise sur champ et est refoulée à la presse suivant un rapport de 2, c'est-à-dire que la barre 7 est réduite de moitié en longueur, tandis que son diamètre augmente pour donner un lopin cylindrique 8. Compte tenu de la forme très allongée de la barre 7, ce refoulement ne peut être effectué qu'après un contrôle de la verticalité du deuxième axe Y. Cette troisième étape se termine de préférence par une trempe à l'eau. QUATRIEME ETAPE: étirage selon le troisième axe Z. Comme l'illustrent les figures 4A à 4G, cette quatrième étape consiste à étirer le lopin 8 dans la direction dans laquelle il n'a pas été encore travaillé, à savoir le troisième axe Z. Les différentes opérations de cette étape peuvent être les suivantes, dans le cas des lopins de tantale évoqués jusqu'à présent dans le présent exemple de réalisation. a - En référence aux figures 4A et 4B, la première opération consiste à une mise au carré du lopin cylindrique 8. Ce dernier est donc placé avec son deuxième axe Y horizontal et son premier axe X vertical. Le lopin 8 est donc refoulé pour prendre la forme d'un lopin parallélépipédique aplati 9. Comme le montre la figure 4B, le lopin 9 ainsi obtenu est tourné autour de son troisième axe Z pour placer le premier axe X horizontal et le deuxième axe Y vertical. On obtient ainsi un lopin 10 de section carrée dont le côté est environ égal à 70 mm. Une trempe peut terminer cette première opération de mise au carré. b - Comme le montre la figure 4C, une opération de dégorgeage est prévue au milieu du lopin carré 10 ainsi obtenu. On procède donc à un refoulement partiel de la matière au milieu de celui-ci pour les raisons déjà évoquées précédemment. Au centre de la barre, la section du carré peut avoir ainsi un côté égal à environ 60 va. c - En référence à la figure 4D, la section carrée du lopin 10 est uniformisée par une mise au carré obtenue par un étirement le long du troisième axe Z. Un parallélépipède 11 régulier et de section carrée est ainsi obtenu en agissant selon les premier et deuxième axes X et Y de manière analogue aux autres opérations de mises au carré. d - Pour améliorer la répartition de la matière, notamment au milieu de ce lopin 11, on procède à un dégorgeage sur les arêtes longitudinales 11A de ce lopin 11. Pour ce faire, le lopin 11 est positionné successivement sur ces quatre arêtes longitudinales 11A qui subissent l'une après l'autre un écrasement. Chaque diagonale peut ainsi être réduite à une valeur de 65 mm. e - En référence à la figure 4F, l'étirage selon le troisième axe Z se poursuit par des actions sur les quatre arêtes 11A du lopin 11 pour obtenir une barre octogonale de côté égale à environ 65 mm. Durant cette quatrième étape d'étirage selon le troisième axe Z, le taux de corroyage peut avoisiner 2,3. Une trempe peut bien évidemment terminer ce cycle d'étirage. Durant ces derniers, des phénomènes tels que les repliures de forge, peuvent apparaltre. Elles sont alors systématiquement éliminées par un burinage. Il en est de même pour l'étirage précédent. Comme le montre la figure 4G, cet étirage peut éventuellement être complété d'une mise au rond du lopin octogonal 12 obtenue précédemment. On dispose ainsi d'une barre cylindrique 13 pouvant directement être exploitée pour la fabrication de pièces de révolution. Cette forme cylindrique peut également être obtenue par un usinage au tour du lopin octogonal 12 de la figure 4F. Lors de ce tournage, un rayon de 5 mm peut être ménagé sur les bords des deux faces planes du lopin cylindrique 13. CINQUIEME ETAPE: matriçage. Selon la forme des pièces à fabriquer, le lopin 13 obtenu après la quatrième étape d'étirage selon le troisième axe Z peut être débité en un grand nombre de pièces cylindriques. Comme le montre la figure 5, pour la fabrication de revêtements de charges creuses, avec du tantale, il est avantageux de découper le lopin en un grand nombre de disques 14. Il est d'ailleurs possible pour faciliter cette opération, de dresser les faces du lopin 13 au tour parallèle. La première opération de l'étape de matriçage consiste à déformer le lopin au moyen d'une presse. Pour la fabrication de charges creuses en tantale, sur la base des lopins déjà décrits, une presse de 2 000 tonnes peut être utilisée avec une vitesse de descente du piston de mm/s. L'outillage utilisé est de préférence fermé et indéformable. La matrice 17 et le piston 16 peuvent être lubrifiés au bisulfure de tungstène. L'outillage fermé représenté sur la figure 6A comprend une matrice fixe 17 et un piston 16 qui, une fois réunis, après la descente du piston forment un espace clos à l'intérieur duquel le lopin 15 s'est déformé pour prendre une forme intermédiaire déterminée. Une deuxième opération du matriçage consiste à effectuer la finition du forgeage par un calibrage précis au marteau pilon (figure 6B). Ceci est utile surtout dans le cas des pièces de grand calibre. Le marteau pilon utilisé dans le cas des lopins destinés à constituer des charges creuses en tantale a une force d'environ 9 000 kgm. Dans cette opération, dès l'ouverture de l'outillage, la pièce doit être trempée. Pendant toutes ces opérations, la température de travail pour des pièces en tantale destinées à réaliser des revêtements de charges creuses est la température ambiante. Cette disposition thermique n'est pas limitative, mais elle constitue un exemple de réalisation. SIXIEME ETAPE: traitement thermique de recristallisation. Ce traitement thermique est destiné à privilégier la finesse de taille du grain constituant le revêtement final. Il s'avère que, pour des pièces en tantale, une recristallisation à 970'C pendant environ 1 h est effectuée sous vide secondaire et permet d'obtenir une structure du matériau très homogène et très fine (G De plus, une telle structure permet d'avoir une homogénéité du centre aux bords de la pièce obtenue tout en conservant une structure de déformation très marquée. Cet exemple de traitement thermique de recristallisation est particulièrement bien adaptée à la fabrication des revêtements en tantale pour charges creuses. Cet exemple n'est donc en aucun cas limitatif. Pour faciliter toutes ces opérations de corroyage et de forgeage, il est très utile de visualiser les trois axes X, Y et Z sur chacune des faces du lopin initial. Ainsi, les différents opérateurs forgerons qui devront travailler cette pièce pourront facilement positionner celle-ci selon l'axe déterminé suivant lequel ils doivent étirer ou refouler la pièce. Les différentes opérations des différentes étapes décrites dans cette description le sont à titre d'exemple, le concept principal de l'invention étant de refouler et d'étirer la pièce selon les trois directions perpendiculaires initiales définies par le repère orthogonal de référence lié à la pièce, comme expliqué au début de la description. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de pièces métalliques par forgeage libre et matriçage sous presse, à partir de lopins à chacun desquels est lié un repère orthogonal à trois dimensions (X, Y, Z), le procédé comprenant les étapes suivantes: - un premier refoulement selon le premier axe (X) (figure 1); - un premier étirage (figures 2A à 2F); - un deuxième refoulement (figure 3); - un deuxième étirage (figures 4A à 4G); - un forgeage en matrice (figures 6A et 6B); et - un traitement thermique de recristallisation, le procédé étant caractérisé en ce que: - le premier étirage se fait suivant le deuxième axe (Y); - le deuxième refoulement se fait suivant le deuxième axe (Y); - le deuxième étirage se fait suivant le troisième axe (Z). 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, appliqué à des matériaux de densité élevée, tels que le tantale, caractérisé en ce qu'il s'effectue à température ambiante. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer une trempe de refroidissement après certaines étapes ou certaines opérations de certaines étapes. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier refoulement selon le premier axe (X) s'effectue à la presse et comprend les opérations suivantes: - une ou plusieurs opérations de refoulement du lopin (1) avec un taux de corroyage T!2,3 (figure 1); - une trempe. 5. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier étirage selon le deuxième axe (Y) se fait à la presse par les opérations suivantes: - une mise au carré par pression sur les faces du lopin (2,3) perpendiculaires aux premier et troisième axes (X) et (Z) (figures 2A et 2B); - un étirage par pression sur les arêtes parallèles au deuxième axe (Y) pour obtenir un lopin (4) au profil orthogonal (figure 2C); - une trempe; - un étirage par pression sur le centre du lopin (5) pour obtenir un dégorgeage du centre (figure 2D); - une trempe; - un deuxième étirage par action sur les faces parallèles au deuxième axe (Y) pour obtenir un lopin au profil octogonal (6) (figure 2E); - étirage par pression sur les arêtes de ce lopin octogonal (6) pour obtenir une mise au rond de celui-ci (figure 2F); - une trempe. 6. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième refoulement selon le deuxième axe (Y) se fait & la presse par les opérations suivantes: - forgeage des faces d'extrémité (7A) pour ménager des surfaces d'appui sur chacune d'elles; - refoulement en une ou plusieurs opérations avec un taux de corroyage T - d'une trempe. 7. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième étirage selon le troisième axe (Z) se fait à la presse par les opérations suivantes: - mise au carré par action sur les faces perpendiculaires aux premier et deuxième axes (X) et (Y) (figures 4A et 4B); - trempe; - étirage par pression sur le centre pour obtenir un dégorgeage du centre (figure 4C); - mise au carré par action sur les faces perpendiculaires aux premier et deuxième axes (X) et (Y) (figure 4D); étirage par pression sur le centre des arêtes (11A) du carré (11) pour obtenir un dégorgeage du centre du lopin (11) (figure 4E); - étirage par pression sur les arêtes parallèles au troisième axe (Z) pour obtenir un profil octogonal (figure 4F); et - trempe. 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pendant l'étape de deuxième étirage selon le troisième axe (Z), une opération d'étirage par pression sur les arêtes du lopin octogonal (12) est effectuée pour obtenir une mise au rond (figure 4G) de celui-ci (13), après l'opération d'étirage par pression sur les arêtes parallèles au troisième axe (Z) et avant la trempe finale. 9. Procédé de fabrication de pièces minces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, avant l'étape de forgeage en matrice, on procède à: - un découpage de ce lopin (13) pour obtenir des disques (14) (figure 5); et - un dressage par tournage des faces planes d'extrémité des disques (14). 10. Procédé de fabrication de pièces en tantale selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de forgeage en matrice comprend les opérations suivantes: - matriçage en outillage fermé à la presse (figure 6A); - calibrage au marteau pilon (figure 6B); - trempe. 11. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications précédentes, appliqué à des lopins de tantale, caractérisé en ce que le traitement thermique s'effectue à une température avoisinant 970'C pendant 1 h, sous vide.