Brevet FR2764219A1 — publié le 19981211

PROCEDE DE FABRICATION D'UN RESSORT EN ACIER, RESSORT OBTENU ET ACIER POUR LA FABRICATION D'UN TEL RESSORT La présente invention concerne la fabrication de ressorts en acier destinés à être fortement sollicités. De nombreux ressorts utilisés, par exemple, pour les soupapes de moteurs à combustion interne, pour les embrayages ou pour les suspensions d'automobiles, sont très fortement sollicités en service et doivent avoir une très bonne résistance à la fatigue. Pour fabriquer ce type de ressorts, il est connu d'utiliser des fils tréfilés en io acier dont la composition chimique comprend, en poids, de 0,53 % à 0,6 % de carbone, de 1,2 % à 1,6 % de silicium, de 0,5 % à 0, 7 % de manganèse, de 0,5 % à 0,8 % de chrome, éventuellement de 0,15 % à 0,2 % de vanadium, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Les fils sont formés à chaud ou à froid pour obtenir des ressorts qui sont alors contraints à une température qui ne dépasse pas 400 C, afin de relâcher les contraintes dues au formage, puis grenailles et, enfin, recouverts d'une couche de laque pour les protéger contre la corrosion. Afin d'améliorer l'endurance à la fatigue des ressorts à hautes caractéristiques, il a été proposé d'utiliser un acier contenant, environ, 0,6 % de carbone, 1,4 % de silicium, 0,7 % de manganèse, 1,5 % de chrome, 0,5 % de molybdène et 0,25 % de vanadium, et d'effectuer sur les ressorts un traitement de nitruration gazeuse à haute température. Cette technique a l'avantage d'améliorer l'endurance des ressorts en créant, à la surface de ceux-ci, une couche dure comportant des contraintes résiduelles de compression. Cependant, le traitement de nitruration à haute température nécessite des teneurs en éléments d'alliage élevées pour d'obtenir une dureté suffisante à coeur des fils constituant les ressorts, et cela présente plusieurs inconvénients: la résilience de l'acier est détériorée, la fabrication est rendue plus difficile par des risques de tapure, de décarburation en surface et de grossissement du grain, le coût est très sensiblement augmenté. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients, en proposant un procédé pour la fabrication de ressorts à hautes caractéristiques présentant à leur surface, une couche dure comportant des contraintes résiduelles de compression importantes, et qui puissent être fabriqués dans des conditions satisfaisantes. 2 2764219 A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un ressort en acier selon lequel on approvisionne un fil tréfilé en acier ayant été soumis à une trempe suivie d'un revenu à une température Tr inférieure ou égale à 500 C et ayant une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 1900 MPa, dont la s composition chimique comprend, en poids: 0,4% 1% 0% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Avec le fil, on forme une ébauche de ressort et on effectue sur l'ébauche de ressort un traitement superficiel de nitruration à une température inférieure à la température de revenu Tr de façon à obtenir une couche superficielle nitrurée. On obtient, ainsi, un ressort. De préférence, la dureté superficielle de la couche superficielle nitrurée est supérieure à 64 HRC et d'épaisseur supérieure à 150 pm, l'épaisseur de la couche nitrurée est supérieure à 150 pm et la dureté à coeur du ressort est supérieure à 50 HRC. Il est préférable que, sur les 20 premiers pm de la couche nitrurée, la teneur en azote soit supérieure à 0,4 %. Le traitement de nitruration peut, par exemple, être un traitement de nitruration ionique. De préférence, la composition chimique de l'acier est telle que: 0,57% 1,5% 0,15% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. L'invention concerne également un acier dont la composition chimique comprend, en poids: 3 2764219 0,57% 1,5% 0,15% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, ainsi qu'un ressort constitué de cet acier, et comportant à sa surface une couche nitrurée dont l'épaisseur est supérieure à 150 pm et la dureté superficielle est supérieure à 64 HRC, la dureté à coeur du ressort étant supérieure à 50 HRC. L'invention va maintenant être décrite plus en détails et illustrée par des exemples. La composition chimique de l'acier utilisé pour la fabrication de ressorts selon l'invention comprend, en poids: - de 0,4 % à 0,7 %, et, de préférence, de 0,57 % à 0,6% de carbone pour obtenir 1o une dureté suffisante, lorsque la teneur en carbone est supérieure à 0,7 %, la résilience est diminuée; - de 1 % à 1,7 %, et, de préférence, de 1,5 % à 1,6 % de silicium pour obtenir une bonne limite d'élasticité et permettre un fort durcissement de la ferrite en retardant la précipitation de fins carbures; la teneur en silicium est limitée à 1,7 % pour éviter une décarburation excessive au cours du laminage du fil; - de 0,4 % à 1 %, et, de préférence, de 0,65 % à 0,7 % de manganèse pour obtenir une trempabilité suffisante; la teneur maximale est limitée à 1 % pour éviter de détériorer la résilience; - de 0,3 % à 1 %, et, de préférence, de 0,7 % à 0,8 % de chrome pour obtenir une dureté suffisante sans détériorer la résilience; le chrome, susceptible de former des carbures et des nitrures, permet de limiter l'adoucissement au revenu; - moins de 0,2 %, et, de préférence, de 0,05 % à 0,08 % de molybdène; cet élément augmente la trempabilité de l'acier et ralentit l'adoucissement au revenu; lorsque la teneur en molybdène est inférieure à 0,05 %, I'effet ralentisseur de l'adoucissement au revenu est négligeable; lorsque la teneur en molybdène est supérieure à 0,2 %, l'acier est rendu fragile; de plus, cet élément est très coûteux; 4 2764219 - moins de 0,2 %, et, de préférence, de 0,15 % à 0,2 % de vanadium pour augmenter la résistance de l'acier et éviter un grossissement excessif du grain au cours de l'austénitisation; lorsque la teneur en vanadium est supérieure à 0,2 %, il se forme des carbures trop gros qui ne se redissolvent pas au cours de l'austénitisation et piègent du carbone sous une forme qui n'est pas favorable à une augmentation de résistance de l'acier; le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Avec cet acier, on fabrique un fil de diamètre inférieur à 14 mm. Ce fil est rasé pour supprimer les défauts de surface, puis tréfilé jusqu'au diamètre voulu. Il est 1o alors austénitisé et trempé et revenu au défilé afin d'obtenir une structure martensitique revenue. La trempe se fait après réchauffage à une température comprise entre 800 C et 950 C. Le revenu est effectué à une température comprise entre 400 C et 500 C et ajustée afin d'obtenir la résistance à la traction Rm visée, comprise entre 1900 MPa et 2200 MPa. Le fil ainsi obtenu est, alors, formé à froid pour obtenir une ébauche de ressort hélicoïdal. A noter que le fil peut également être formé à chaud, le traitement de trempe et de revenu est, alors, effectué sur l'ébauche de ressort hélicoïdal, et non pas sur le fil. L'ébauche de ressort hélicoïdal est alors soumise à un traitement de nitruration ionique, connu en lui même, et effectué à une température légèrement inférieure, par exemple de 15 C à 20 C, à la température effective de revenu. Le traitement ionique a une durée suffisante, en général de 5 à 20 heures, de façon à obtenir une couche superficielle nitrurée de dureté superficielle supérieure à 60 HRC, et d'épaisseur supérieure à 150 pm. La teneur en azote de la couche superficielle nitrurée est d'environ 1,8 % à l'extrême surface, et décroît régulièrement avec la profondeur sous la surface. A 50 pm, voire à 100 pm sous la surface, la teneur en azote est encore supérieure à 0,4 %. Ce traitement a l'avantage d'une part, de ne pas détériorer les caractéristiques mécaniques de lI'acier à coeur du ressort, et, en particulier, de conserver une dureté à coeur supérieure à 50 HRC, d'autre part, d'engendrer des contraintes résiduelles de compression pouvant dépasser, en surface, 700 MPa, et s'atténuant en profondeur. 2764219 Ces contraintes de compression en surface ont l'avantage de réduire les risques d'amorçage de fissures en surface sous l'effet des sollicitations du ressort. A titre d'exemple, des ressorts hélicoïdaux on été réalisés à partir d'un fil de 14 mm de diamètre, en acier dont la composition chimique comprenait, en % en poids: C Si Mn Cr Mo S P V 0,584 1,510 0,690 0,746 0,063 0,019 0,006 0,180 le fil a été trempé et revenu à 420 C de façon à obtenir une résistance à la traction Rm de 2150 MPa. Les ébauches de ressort ont été soumises à un traitement de o0 nitruration ionique effectué à 400 C pendant 11 heures. La couche nitrurée obtenue à la surface des ressorts était caractérisée par une teneur en azote en surface de i1,8 %, une teneur en azote à 20 pm sous la surface de 0,4 %, une épaisseur de la couche nitrurée de 160 pm, une dureté superficielle supérieure à 64 HRC, la présence de contraintes résiduelles de compression d'environ 900 MPa à 20 pm 1is sous la surface, et une dureté à coeur supérieure à 52 HRC. 6 2764219 REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un ressort en acier caractérisé en ce que: on approvisionne un fil tréfilé en acier ayant été soumis à une trempe et à un revenu à une température Tr inférieure ou égale à 500 C et ayant une résistance à la traction Rm supérieure ou égale à 1900 MPa, dont la composition chimique comprend, en poids: 0,4% 1% 0% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, - on forme une ébauche de ressort, - et on effectue sur l'ébauche de ressort un traitement superficiel de nitruration à une température inférieure à la température de revenu Tr de façon à obtenir une couche superficielle nitrurée. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisée en ce que la dureté superficielle de la couche superficielle nitrurée est supérieure à 64 HRC et d'épaisseur supérieure à 150 pm, la dureté à coeur du ressort étant supérieure à 50 HRC. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche nitrurée est supérieure à 150 pm. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 3 caractérisée en ce que la dureté à coeur du ressort est supérieure à 50 HRC. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que sur les 20 premiers pm de la couche nitrurée, la teneur en azote est supérieure à 0,4 %. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le traitement de nitruration est un traitement de nitruration ionique. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que la composition chimique de l'acier est telle que: 7 2764219 0,57 % 1,5% 0,15% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. 8 - Ressort caractérisé en ce qu'il est constitué d'un fil tréfilé en acier dont la composition chimique comprend, en poids: 0,57% 1,5% 0,15% le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, et en ce qu'il comporte à sa surface une couche nitrurée dont l'épaisseur est supérieure à 150 pm et la dureté superficielle est supérieure à 64 HRC, la dureté à coeur du ressort étant supérieure à 50 HRC. 9 - Acier pour la fabrication de ressorts nitrurés en surface, caractérisé en ce que sa composition chimique est telle que: 0,57% 1,5% 0,15% o le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.