Brevet FR2761699A1 — publié le 19981009

ACIER ET PROCEDE POUR LA FABRICATION D'UNE PIECE POUR ROULEMENT La présente invention concerne la fabrication d'une pièce pour roulement, et en particulier d'une bague pour roulement à bille, à aiguilles ou à rouleaux. Les pièces pour roulement, telles que les bagues, les billes, les aiguilles ou les rouleaux, sont, en général, fabriquées en acier du type 100C6 ou 100CM6, contenant de 0,6 à 1,5 % de carbone, de 1,3 à 1,6 % de chrome, de 0,3 à 1% de manganèse et moins de 0,4 % de silicium, ayant une très bonne propreté inclusionnaire. L'acier est utilisé sous forme de barres laminées, de tubes sans soudure ou de fils, dans lesquels sont découpés des lopins qui sont mis en forme io par déformation plastique à froid ou à chaud puis soumis à une trempe et un revenu avant d'être usinés. Les pièces ainsi obtenues on une grande dureté et la ténacité requise pour leur permettre de bien résister à la fatigue de roulement, au moins dans les conditions habituelles d'utilisation, notamment pour des températures en service inférieures à 170 C. Cependant, les pièces ainsi constituées ont une résistance à la fatigue de roulement insuffisante pour des conditions de service plus sévères, qui tendent à se généraliser. Ces conditions de service plus sévères sont caractérisées, notamment, par une température de service supérieure à 170 C et pouvant atteindre 3500C, et/ou par la présence d'un phénomène de détérioration des surfaces de roulement par indentation. Ce phénomène consiste en l'amorçage de fissures en surface provoqué par les indentations, c'est à dire les déformations engendrées par des particules dures présentes dans le lubrifiant. Pour limiter l'effet de l'indentation, il a été proposé d'utiliser des matériaux à très haute dureté tels que des céramiques ou des dépôts de matériaux durs. Mais cette technique présente l'inconvénient d'être peu fiable du fait de la trop grande fragilité de ces matériaux, fragilité qui les rends très sensibles au moindre défaut. On a également proposé, par exemple dans le brevet US 5 030 017, d'utiliser un acier contenant notamment de 0,3 % à 0,6 % de carbone, de 3 % à 14 % de chrome, de 0,4 % à 2 % de molybdène, de 0,03 % à 1 % de vanadium et moins de 2 % de manganèse. Les pièces sont cémentées ou carbonitrurées au voisinage de la surface de roulement de façon à obtenir une somme des teneurs en carbone et azote comprise entre 0,03 % et 1%, puis trempées pour que leur structure micrographique comporte de 20 % à 50 % (en % en volume) d'austénite résiduelle dans une couche de surface représentant 10 % à 25 % du volume de la pièce. Cette technique présente le double inconvénient de nécessiter l'emploi d'un acier fortement chargé en éléments d'alliage, donc coûteux, et la réalisation d'un traitement de cémentation ou de carbonitruration, traitement long et coûteux. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un moyen pour fabriquer, de façon économique, une pièce pour roulement résistant à l'indentation et peu fragile. A cet effet, I'invention a pour objet un acier pour la fabrication d'une pièce pour roulement dont la composition chimique comprend, en poids: 0,6% 0,4 % 0 % 0 % S le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition satisfaisant, en outre, les relations: Mn 0,9% 1,3% de 5 % à 30 % d'austénite résiduelle. L'invention concerne, enfin, d'une part, un tube sans soudure en acier selon l'invention, et, d'autre part, une pièce pour roulement en acier selon l'invention, ayant une structure constituée de carbures résiduels, de martensite et de 5 % à 30 % d'austénite résiduelle stable thermiquement jusqu'à 400 C au moins. L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non limitative, et être illustrée par des exemples. Pour fabriquer une pièce de roulement telle qu'une bague ou un corps roulant ayant une bonne résistance à l'indentation, par exemple à partir d'un tube sans soudure, on utilise un acier dont la composition chimique comprend, en poids: - plus de 0,6 % et, de préférence plus de 0, 9 % de carbone pour obtenir une dureté suffisante et un taux d'austénite résiduelle suffisant, mais moins de 1,5 % et, de préférence, moins de 1, 1 % pour éviter la formation de ségrégations trop importantes et pour limiter la formation de carbures primaires, - plus de 0,75 %, et, de préférence, plus de 0,8 % de silicium, de façon à augmenter la stabilité à chaud de l'austénite résiduelle (entre 170 C et 450 "C, environ), mais, moins de 2,5 %, et de préférence, moins de 1,7 %, car lorsque la teneur en silicium est trop élevée, l'acier devient trop fragile notamment pour pouvoir être mis en forme par déformation plastique, - plus de 0,4 % de manganèse, et de préférence, plus de 0,8 % pour pouvoir obtenir une structure trempée ayant une teneur en austénite résiduelle supérieure à 5 %; la teneur en manganèse doit être telle que: Mn 1,2 %, - de 0,2 %à 2 % de chrome, et, de préférence, de 1,3 % à 1,6 %, de façon, d'une part à obtenir une trempabilité suffisante, et, d'autre part, à former des semis de carbures globulaires de taille inférieure à 2 pm, uniformément répartis et en quantité suffisante, - moins de 0,5 % de nickel, élément résiduel qui n'est pas indispensable mais qui a un effet favorable sur la trempabilité, - moins de 0,2 % de molybdène, élément qui ralentit l'adoucissement au revenu, - entre 0 % et 0,05 % d'aluminium et moins de 0,04 % de soufre, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Cet acier est coulé, et, éventuellement, laminé pour fabriquer un demiproduit qui, lorsqu'on veut fabriquer une bague à partir d'un tube sans soudure, est un rond à tube. Le demi produit est alors mis en forme par déformation plastique à chaud pour obtenir une ébauche de produit, par exemple, par laminage à chaud pour obtenir un tube sans soudure. L'ébauche de produit est alors soumise à un traitement thermique de globulisation consistant en un chauffage à une température comprise 750 C et 850 C suivi d'un refroidissement dont la vitesse maximale est de 100 C/heure jusqu'à 650 C, afin d'obtenir une structure de dureté inférieure à 270 Hv et comportant une fine dispersion de carbures. Ce traitement thermique est nécessaire pour conférer à l'acier une bonne aptitude à la mise en forme par déformation plastique à froid, procédé utilisé pour fabriquer, par exemple, par laminage à froid ou par étirage à froid, un produit. Ce produit, qui peut être un tube sans soudure, est caractérisé par le fait qu'il est bien calibré. Il sert à fabriquer les ébauches de pièces, par exemple, les ébauches de bagues de roulement. La fabrication des ébauches de pièces, qui se fait par mise en forme à froid ou à chaud ou par usinage de tronçons découpés dans le produit, se termine par un traitement thermique constitué d'une trempe et d'un revenu. On obtient, ainsi, une pièce pour roulement. La température d'austénitisation avant trempe, supérieure à 800 C, est ajustée de façon à obtenir après la trempe une structure constituée de martensite, de 5% à 30% d'austénite résiduelle et d'un réseau de carbures. Le taux d'austénite résiduelle dont la présence est indispensable pour obtenir une bonne résistance à l'indentation dépend de la valeur du point Ms (température de début de transformation martensitique) qui dépend, elle même, à la fois de la composition de lI'acier et des conditions d'austenitisation. L'Homme du Métier sait déterminer ces paramètres, par exemple à l'aide d'essais dilatométriques. Le revenu qui est plus exactement un détentionnement, est effectué par chauffage au dessus de 100 C afin de stabiliser la structure, mais inférieure à 250 C pour ne pas déstabiliser l'austénite résiduelle A titre de premier exemple, on a réalisé 10 coulées de laboratoire, 2 conformes à l'invention (repérées A et B) et 8 à titre de comparaison (repérées C, D, E, F, G, H, I et J). Ces coulées, aux quelles on a ajouté le 100C6 standard, destinées essentiellement à mettre en évidence l'effet des éléments d'alliage sur les diverses propriétés d'un acier à roulement, avaient les compositions chimiques suivantes (en % en poids, seuls les éléments principaux sont indiqués, le reste étant o10 du fer et des impuretés): - C Si Mn Ni Cr Mo AIl S A 0,957 1,508 1,006 0,138 1,632 0,019 0,033 0, 008 B 0,972 1,080 1,100 0,161 1,520 0,023 0,038 0, 010 C 0,950 2,501 1,016 0,132 1,571 0,021 0,034 0, 007 D 0,959 2,508 2,074 0,126 1,607 0,021 0,033 0, 007 E 0,938 0,446 2,110 0,129 1,605 0,020 0,035 0, 008 F 0,972 1,509 2,045 0,124 1,539 0,019 0,032 0, 008 G 0,950 1,513 0,263 0,131 1,570 0,020 0,027 0, 006 H 0,952 0,501 1,022 0,139 1,606 0,021 0,022 0, 004 l I 0,985 1,040 0,345 0,149 1,490 0,017 0,032 0, 009 J 0,966 2,060 0,297 0,159 1,520 0,019 0,038 0, 006 C6 1,000 0,200 0,300 - 1,500 - - Ces aciers ont été coulés sous forme de lingotins de 65 Kg qui ont été forgés pour former des barres carrées de 20 mm de côté, puis globulisées par un maintien pendant 1 heure à 30 C au dessus de la température de fin de transformation de la perlite en austénite, suivi d'un refroidissement jusqu'à 650 C à une vitesse comprise entre 8 et 10 C par heure, complété par un refroidissement à l'air jusqu'à la température ambiante. L'aptitude à la déformation à froid a, alors, été évaluée par une mesure de résilience KCU à 60 C exprimée en Joules; lorsque cette résilience est supérieure à 4,2 daJ/cm2 l'aptitude à la mise en forme à froid est bonne, elle est mauvaise dans le cas contraire. Les lopins ont été, en suite, trempés à l'huile froide après austénitisation à 895 C, et on a mesuré d'une part, le taux X d'austénite résiduelle, et la température e de début de déstabilisation de l'austénite résiduelle. On a, également évalué la coulabilité. Les résultats ont été les suivants: |Si ( 0)|Mn (%) 0,75+0,55Si Coulabilité 2.5-O.8Si KCU à 60'C | X | daJ/cm2 A 1,508 1,006 1,579 bon 1,294 4,2 J 14 % 390 C B 1,080 1,100 1,344 bon 1,636 5,5 J 14 % nd C 2,501 1,016 2,125 bon 0, 499 1,3 J 15 % 405 C D 2,508 2,074 2,129 bon 0,494 0,5 J 19 % 440 C E 0,446 2,110 0,995 mauvais 2,143 5,6 J nd 260 C F 1,509 2,045 1,580 mauvais 1,293 2,1 J 22 % 410 C G 1,513 0,263 1, 582 bon 1,290 4,6 J 9 % 350 C H 0,501 1,022 1,025 bon 2,099 6,7 J 9 % 225 C I 1,040 0,345 1,322 bon 1,668 6,0 J 14 % nd J 2,060 0, 297 1,883 bon 0,852 4,4 J 12 %_ nd C6 0,200 0, 300 0,86 bon 2,34 6,6 J 7 % 200 C Ces résultats montrent que seules les coulées A et B conformes à l'invention réunissent toutes les propriétés souhaitées, à savoir, une bonne coulabilité, une bonne aptitude à la déformation à froid, un taux d'austénite résiduelle élevée, et une structure stable jusqu'à des températures élevées; Ces deux dernières caractéristiques étant sensiblement plus élevées que les caractéristiques correspondantes du 1 00C6 standard. De plus, des essais de stabilité de l'austénite résiduelle sous contrainte io monotone et en compression cyclique, ont montré que: - pour les coulées dont la teneur en silicium est supérieure à 1%, I'austénite résiduelle reste stable lorsqu'elle est soumise par compression à une contrainte équivalente de cisaillement de 1400 Mpa, alors que dans les mêmes conditions, % de l'austénite résiduelle d'un acier 100C6 (contenant moins de 0,5% de Si) est déstabilisée, - pour des essais de déstabilisation de l'austénite résiduelle en compression cyclique (contrainte équivalente de cisaillement évoluant entre 25 Mpa et 1025 Mpa à la fréquence de 200 Hz) aucune déstabilisation n'apparaît après 1 millions de cycle, pour une coulée contenant environ 1 % de manganèse et 1,5 % de silicium. A titre de deuxième exemple, on a réalisé une coulée industrielle d'un acier selon l'invention avec lequel on fabriqué une bague pour roulement. La composition chimique de l'acier comprenait, en poids: C=0,9% Si =1,25 % Mn=1% Cr= 1,4 % Ni = 0,25 % Mo = 0,015% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Cet acier a été coulé et laminé sous forme d'un rond à tube de 100 mm de diamètre. Le rond à tube a été percé à chaud entre deux cylindres puis laminé à chaud sur un laminoir ASSEL pour obtenir une ébauche de tube sans soudure de i0 diamètres extérieur 67,5 mm et intérieur 36,5 mm. L'ébauche de tube a été soumis à un traitement de globulisation consistant en un maintien de 2 heures à 800 C suivi d'un refroidissement jusqu'à 650 C à la vitesse de 10 C par heure, de façon à obtenir une dureté Brinell de 240 HB. L'ébauche de tube a, alors, été laminée à froid pour obtenir un tube sans soudure de 42,9 mm de diamètre extérieur et 22,7 mm de diamètre intérieur. Des bagues de roulement ont été découpées et usinées dans le tube, puis soumises à un traitement de trempe à l'huile après austénitisation à 900 C et revenue à 2000C de façon à obtenir une structure contenait 18% d'austénite résiduelle. On a testé la résistance à l'indentation par des essais de type fatigue butée en utilisant des bagues préalablement indentées au niveau des pistes par deux empreintes Vickers disposées symétriquement, et en mesurant les temps à l'écaillage des bagues. On a ainsi comparé des bagues selon l'invention et des bagues en 100C6 selon l'art antérieur, pour des empreintes dont les dimensions des diagonales étaient de 267 pm et 304 pm. Aussi bien pour les bagues selon l'invention que pour les bagues selon l'art antérieur, la dureté était de 63 HRC. Les résultats ont été les suivants: Taille des indents __ 267 pm 304 pm invention > 269 heures 252 heures C6 art antérieur 145 heures 75 heures Ces résultats montrent que les bagues selon l'invention ont une durée de vie plus que doublée pour des indents importants. L'acier selon l'invention est particulièrement adapté à la fabrication de bagues de roulement à partir de tubes sans soudure, mais il est également adapté à la fabrication de bagues, de billes, de rouleaux et d'aiguilles à partir de barres laminées ou de fils. Ces pièces peuvent être mises en forme par déformation plastique à chaud ou à froid, ou par usinage. REVENDICATIONS 1 - Acier pour la fabrication d'une pièce pour roulement caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids: 0,6 % 0,4% 0 % S le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition satisfaisant, en outre, les relations: Mn 0,9% 1,3% revendications 1 à 4, - on met en forme le demi-produit par déformation plastique à chaud afin d'obtenir une ébauche de produit, et, plus particulièrement, une ébauche de tube sans soudure, - on effectue sur l'ébauche de produit un traitement de globulisation consistant en un chauffage à une température comprise entre 750 C et 850 C suivi d'un refroidissement dont la vitesse maximale est de 100 C/heure jusqu'à 650 C, afin d'obtenir une structure de dureté inférieure à 270 Hv et comportant une fine dispersion de carbures, et, éventuellement, une mise en forme par déformation plastique à froid, par exemple, un laminage à froid ou un étirage à froid, de façon à io obtenir un produit, - on découpe dans le produit un tronçon qu'on met en forme par déformation plastique à froid ou à chaud, ou par usinage, afin d'obtenir une ébauche de pièce pour roulement, - et on effectue sur l'ébauche de pièce un traitement thermique de trempe par i5 refroidissement par exemple à l'huile après austénitisation entre 800 C et 950 C, et un traitement thermique de revenu entre 100 C et 250 C, de façon à obtenir une pièce pour roulement ayant une structure dont la dureté est comprise entre 58 Hrc et 67 Hrc et qui est constituée de carbures résiduels, de martensite et de 5 % à 30 % d'austénite résiduelle. 6 - Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le produit est un tube sans soudure. 7 - Tube sans soudure en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à4. 8 - Pièce pour roulement en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 ayant une structure constituée d'un réseau de carbures, de martensite et de 5 % à 30 % d'austénite résiduelle. 9 - Pièce selon la revendication 8 caractérisée en ce qu'elle est une bague.