Brevet FR2757878A1 — publié le 19980703

FIL TREFILE EN ACIER INOXYDABLE ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne un fil tréfilé en acier inoxydable de petit diamètre ayant des caractéristiques mécaniques élevées, utilisable notamment pour la fabrication de ressorts ou de fils de renforcement d'élastomères. On connaît des fils tréfilés fins, ayant des caractéristiques mécaniques très élevées, constitués d'un acier inoxydable austénitique instable du type 1.4310 (selon les normes EN 10088 et Pr EN 10270.3) dont l'analyse chimique comprend, en poids, de 16 à 19 % de chrome, de 6 à 9,5 % de nickel, au plus 0,8 % de molybdène, au plus 0,11 % d'azote et de 0,05 à 0,15 % de carbone. Les io caractéristiques mécaniques obtenues pour le fil tréfilé résultent à la fois de l'écrouissage et de la formation de martensite a' engendrée par l'écrouissage résultant du tréfilage. Ces fils peuvent être utilisés pour la fabrication de ressorts qui sont obtenus par mise en forme du fil puis traitement thermique de relaxation et de durcissement. Cette technique présente au moins un inconvénient qui résulte de la consolidation très importante durant le tréfilage. Du fait de l'importance de cette consolidation, lorsque le diamètre du fil est petit, il ne peut être obtenu qu'en plusieurs cycles alternant tréfilage et traitement thermique d'hypertrempe. Cela complique la fabrication et augmente son coût. On connaît également des fils tréfilés fins, ayant des caractéristiques mécaniques très élevées, utilisables notamment pour la fabrication de ressorts, constitués d'un acier inoxydable austénitique à durcissement secondaire par précipitation de NiAI, du type 1.4568 (selon la norme EN 10088 et Pr EN 10270) dont l'analyse chimique comprend, en poids, de 16 à 18 % de chrome, de 6,5 à 7,8 % de nickel et de 0,7 à 1,5 % d'aluminium. Cette technique présente l'avantage de permettre de fabriquer les ressorts à partir d'un fil de caractéristiques mécaniques sensiblement inférieure aux caractéristiques mécaniques souhaitées pour le ressort, ce qui facilite la réalisation de l'opération de mise en forme. En effet, les caractéristiques mécaniques finales peuvent être obtenues par un traitement thermique de vieillissement qui engendre un durcissement par précipitation. Par contre, cette technique présente d'une part l'inconvénient d'utiliser des nuances d'acier contenant des éléments facilement oxydables ou nitrurables qui engendrent la formation d'inclusions néfastes pour la tenue en fatigue des ressorts, d'autre part ces nuances d'acier conduisent, comme dans le cas précédant, à une consolidation très importante pendant le tréfilage ce qui nécessite, de la même façon, une succession de cycles alternant tréfilage et traitement d'hypertrempe. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un fil tréfilé fin en acier inoxydable austénitique durcissable par précipitation, ayant, à l'état écroui avant vieillissement, une résistance à la traction suprieure 2200 MPa pour un diamtre compris entre 0,4 et 0,5 mm, traction supérieure à 220025 MPa pour un diamtètre compris entre 0,3 et 0,4 mm, suprieure supérieure à 2225 MPa pour un diamètre compris entre 0,2 et 0,3 mm, supérieure 2275 mm à 2250 MPa pour un diamètre compris entre 0,2 et 0,3 mm, supérieure à 2275 mm pour un diamètre inférieur à 0,2 mm, et qui soit facilement tréfilable. A cet effet, I'invention a pour objet un fil tréfilé en acier inoxydable, de diamètre inférieur à 2 mm et de résistance à la traction supérieure à 2100 MPa, constitué d'un acier dont la composition chimique comprend, en poids: 0% 0% 0% S P le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Ce fil peut être utilisé notamment pour fabriquer un ressort ou peut io constituer l'âme d'un fil de renforcement d'élastomère. L'invention concerne également un procédé pour la fabrication du fil selon l'invention. Le procédé consiste à approvisionner un fil machine de diamètre supérieur ou égal à 5 mm constitué d'un acier austénitique dont la composition chimique est conforme à ce qui est indiqué ci-dessus, à le soumettre à un i5 traitement d'hypertrempe pour lui conférer une structure entièrement austénitique, à le décaper et à le tréfiler, généralement sans traitement thermique intermédiaire, ou, pour les plus petits diamètres, avec une hypertrempe intermédiaire suivie d'une réduction de section supérieure à 300. On peut compléter le procédé par un traitement thermique de vieillissement, effectué sur le fil fortement écroui, et constitué d'un maintien pendant une durée comprise entre mn et 3 heures à une température comprise entre 400 et 475 C. L'invention concerne enfin un acier inoxydable austénitique dont la composition chimique comprend, en poids: 0% 0% 0% S P le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non limitative, et illustrée par les exemples qui suivent. Pour fabriquer un fil tréfilé fin de diamètre inférieur ou égal à 2 mm, on utilise un fil machine de diamètre supérieur ou égal à 5 mm en acier inoxydable austénitique dont la composition chimique comprend, en poids: moins de 0,03 % de carbone car, au delà, la martensite présente en grande proportion dans le fil tréfilé devient sensible à la rupture différée et les ressorts peuvent, alors, se fissurer sous l'effet des contraintes résiduelles de formage; en ]o général la teneur en carbone est supérieure à 0,005 % car il est extrêmement difficile de descendre en dessous lors des opérations d'affinage; - de 0 %à 2 %, et de préférence plus de 0,2 %, de manganèse pour fixer le soufre et éviter la formation de sulfures de chrome à bas point de fusion; au delà de 2 % l'acier devient très difficile à décarburer sans réoxyder le manganèse, ce qui augmente de façon très importante les coûts de fabrication; - de 0 % à 0,5 % de silicium dont la présence (en général plus de 0,1 %) résulte de l'élaboration de l'acier, durcit fortement la martensite présente dans les fils écrouis; afin d'éviter un durcissement excessif avant l'opération de mise en forme, on limite sa teneur à 0,5 %; - de 8 % à 9 % de nickel, pour garantir une structure austénitique pendant le laminage à chaud et après le traitement d'hypertrempe; - de 17 % à 18 % de chrome pour obtenir une résistance à la corrosion suffisante sans engendrer trop de difficultés de décapage après le laminage à chaud; - de 0 % à 0,4 % de molybdène pour améliorer la tenue à la corrosion sans détériorer les autres propriétés; de 3 % à 3,5 % de cuivre pour permettre le durcissement par précipitation au cours du traitement de vieillissement après tréfilage; la teneur est limitée à 3,5 % car, au delà, le cuivre engendre des difficultés de laminage à chaud; - de 0 % à 0,03 % d'azote qui résulte de l'élaboration; sa teneur est généralement supérieure à 0,005 %, mais doit rester inférieure à 0,03 % pour éviter des risques de fissuration en différé; moins de 0,01 % de soufre qui est une impureté dont la teneur doit être limitée car, en trop grande quantité, elle rend cassants les fils tréfilés; - moins de 0, 04 % de phosphore qui est une impureté pouvant créer des défauts lors du laminage à chaud; le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. L'ensemble des éléments a un effet sur la stabilité de la structure austénitique pendant le laminage à chaud et après hypertrempe, mais, également, sur la structure de solidification. Les domaines de composition pour chacun des éléments ont été choisis de telle sorte que cette structure de solidification soit ferritique et exempte de fortes ségrégations. Comme l'ont observé de façon inattendue les inventeurs, cet acier présente l'avantage de permettre d'atteindre des caractéristiques mécaniques élevées par tréfilage et durcissement structural sans nécessiter de recuit intermédiaire, même io pour des réduction de diamètre supérieures à 20 fois. Avec l'acier qui vient d'être défini, on fabrique par laminage à chaud un fil machine de diamètre supérieur ou égal à 5 mm qui est soumis à un traitement d'hypertrempe consistant en un chauffage à une température comprise entre 800 C et 1250 C suivi d'un refroidissement à l'air, ou plus rapide, afin de lui conférer une structure entièrement austénitique, puis il est décapé. Le fil machine hypertrempé et décapé ainsi obtenu est alors tréfilé jusqu'à un diamètre inférieur à 2 mm, en une ou plusieurs étapes de plusieurs passes chacune, sans qu'il soit nécessaire de faire de traitement thermique intermédiaire, au mois tant que le rapport de la section initiale à la section finale reste inférieur à 485. Pour fabriquer les plus petits diamètres, notamment les diamètres inférieurs à 0,25 mm, il peut être nécessaire de faire une hypertrempe intermédiaire destinée à restaurer la capacité de déformation du métal. Cependant, dans ce cas, pour obtenir les caractéristiques mécaniques souhaitées, I'écrouissage final, c'est à dire effectué après l'hypertrempe intermédiaire, doit correspondre à une réduction de section supérieure à 300 (section finale / section initiale Pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées en final, c'est à dire, une résistance à la traction, fonction du diamètre, conformément à la norme, reprise au tableau ci-dessous, on effectue un traitement thermique de vieillissement. ( mm 1,5/1,75 1,25/1,5 1/-1,25 0,8/1 0,65/0,8 0,5/0,65 1 0,4/0,5 1 0,3/0,4 0,2/0,3 structure cubique centrée (martensite az' induite par la déformation de tréfilage). Ce durcissement est, toutes choses égales par ailleurs, d'autant plus élevé que la teneur en martensite oa' est plus élevée. Selon l'application envisagée, le traitement de vieillissement peut être effectué soit directement après tréfilage, soit après avoir effectué des opérations supplémentaires sur le fil, par exemple après l'avoir mis en forme pour fabriquer un ressort spirale. A titre d'exemple, on a fabriqué des fils tréfilés de 1 mm, 0,5 mm et 0, 25 mm de diamètre conforme à l'invention en partant d'un fil machine de 5,5 mm de diamètre constitué d'un acier inoxydable austénitique dont la composition chimique était la suivante (en % en poids): C Mn Si Ni Cr Mo Cu N S P 0,011 1,83 0,4 8,08 17,24 1 0,36 3,24 0,027 0,004 0,025 Le fil machine a été hypertrempé par réchauffage à 1080 C et refroidissement à l'eau puis décapé. Le fil machine a alors été tréfilé selon les schémas suivants: - fil de 1 mm de diamètre: en une descente de 5,5 mm à 1 mm, en 12 passes; - fil de 0,5 mm de diamètre:à partir du fil écroui de 1 mm, en une descente de 8 passes de 1 mm à 0,5 mm; - fil de 0,25 mm de diamètre: à partir du fil écroui de 1 mm, en une descente de 5 passes de 1 mm à 0,7 mm suivie d'une descente de 8 passes de 0,7 mm à 0,25 mm; sans traitement thermique intermédiaire. Après tréfilage le fil a été vieilli par maintient à 435 C pendant 1 heure. Les caractéristiques mécaniques (résistance à la rupture Rm, et résistance pour une déformation plastique de 0,2 % Rpo,2) obtenues avant et après vieillissement, ainsi que le taux de martensite oa', étaient: avant vieillissement après vieillissement Diamètre % a' Rpo0,2 (MPa) Rm (MPa) Rpo,2 (MPa) Rm (MPa) 1 mm 52 1702 1856 2070 2197 0,5 mm 65 2083 2291 2668 2723 0,25 mm 75 2580 2666 3076 3095 Les fils ainsi obtenus ont été utilisés pour fabriquer des ressorts comme indiqué ci-dessus qui ont l'avantage de présenter des caractéristiques au moins égales à celles des ressorts fabriqués en nuance standard 1.4310, avec une relaxation égale, voire améliorée, tout en étant plus simples et moins coûteux à fabriquer. Du fait de leurs caractéristiques, les fils tréfilés selon l'invention peuvent également être utilisés pour fabriquer des fils de renforcement d'élastomères, par exemple pour réaliser des armatures de pneumatiques. Ces fils de renforcement comportent une âme constituée d'un fil tréfilé selon l'invention revêtue, par exemple, par nickelage et laitonnage (ce revêtement est destiné à assurer une bonne liaison avec le caoutchouc). REVENDICATIONS 1 - Fil tréfilé en acier inoxydable de diamètre inférieur à 2 mm et de résistance à la traction supérieure à 2100 MPa, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un acier dont la composition chimique comprend, en poids: 0% 0% 0% S P le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. 2 - Fil tréfilé selon la revendication 1 caractérisé en ce que son diamètre est inférieur ou égal à 0,5 mm et sa résistance à la traction supérieure ou égale à 2200 MPa. 3 - Fil tréfilé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que son diamètre est inférieur ou égal à 0,3 mm et sa résistance à la traction supérieure ou égale à 2250 MPa. 4 - Fil tréfilé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que son diamètre est inférieur ou égal à 0,2 mm et sa résistance à la traction supérieure ou égale à 2275 MPa. - Ressort caractérisé en ce qu'il est constitué d'un fil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6 - Fil de renforcement d'élastomère comportant au moins une âme en acier inoxydable, caractérisé en ce que l'âme est constituée d'un fil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 7 - Procédé pour la fabrication d'un fil selon la revendication 1 caractérisé en ce que: - on approvisionne un fil machine de diamètre supérieur ou égal à 5,5 mm en un acier dont la composition chimique comprend, en poids: 0% 0% 0% S P le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, - on effectue une hypertrempe afin d'obtenir une structure entièrement austénitique, - et on effectue un tréfilage en plusieurs passes pour obtenir un diamètre inférieur à2mm. 8 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le tréfilage est effectué sans traitement thermique intermédiaire. 9 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le tréfilage est effectué avec une hypertrempe intermédiaire et en ce que la réduction de section n0 effectuée après l'hypertrempe intermédiaire est supérieure à 300. - Procédé selon la revendication 8 ou la revendication 9 caractérisé en ce que, en outre, on effectue un traitement thermique de vieillissement constitué d'un maintien pendant une durée comprise entre 5 mn et 3 heures à une température comprise entre 400 C et 475 C. 11 - Acier pour la fabrication d'un fil selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids: 0% 0% 0% S P le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.