Brevet FR2781813A1 — publié le 20000204

L'invention est relative à un acier à roulement et à un roulement pouvant travailler à des niveaux de chargement élevés. Les roulements à billes ou à rouleaux sont bien connus. Ils sont, en général, constitués de pièces en acier à roulement du type 100Cr6 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, le reste étant des impuretés résultant de l'élaboration. Dans les zones de contacte des différentes pièces, I'acier est soumis à des contraintes de Hertz importantes qui, du fait de la rotation du roulement, engendrent des phénomènes de fatigue de roulement. Ces phénomènes de fatigue de roulement o10 conduisent à la destruction du roulement au bout d'un temps fonction des conditions de chargement du roulement. Afin d'assurer une durée de vie suffisante, on dimensionne les roulements de façon telle que la contrainte maximale de Hertz reste inférieure à une valeur fonction de la résistance à la fatigue de l'acier utilisé et de la durée de vie minimale souhaitée. Par ailleurs, les déformations des roulements engendrées par les efforts qu'ils supportent, accroissent les phénomènes de détérioration par fatigue. Pour limiter cet effet défavorable, les roulements sont dimensionnés de manière à limiter les déformations à des valeurs faibles. Ces deux conditions conduisent à limiter les possibilités d'alléger les roulements. En effet, pour une application donnée, plus les roulements sont légers, plus les efforts spécifiques qu'ils doivent supporter sont importants. Ces limites apportées au dimensionnement des roulements présentent des inconvénients, notamment lorsqu'il est souhaitable de réduire la dimension ou le poids des mécanismes auxquels ils sont incorporés. C'est le cas, notamment, des roues de véhicules, lorsqu'on veut améliorer la tenue de route en diminuant le poids des masses non suspendues. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un acier à roulement dont la tenue à la fatigue est améliorée par rapport à celle des aciers à roulement connus, et ainsi de permettre d'utiliser des roulements plus légers que ceux qui sont utilisés actuellement. De plus, on a recherché un acier qui présente une bonne aptitude à la coulée et à la transformation à chaud comme à froid, et qui ne nécessite que des traitements thermiques en cours de fabrication ou en final relativement standards. 2 2781813 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 % S O le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration la composition satisfaisant les relations: Mn 0,9 % 1,3% De préférence également la teneur en silicium doit être supérieure à 1,2 %. L'invention concerne également un procédé pour la fabrication d'une pièce pour roulement selon lequel: - on met en forme par déformation plastique à chaud un demi-produit en acier selon l'invention, 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 10 C/heure jusqu'à 650 C, afin 1o d'obtenir une structure de dureté inférieure à 270 HV et comportant une dispersion homogène de carbures globulaires fins, 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 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 isotherme ou par refroidissement par exemple à l'huile après austénitisation entre 800 C et 950 C, et un traitement thermique de revenu entre 100 C et 400 C et de préférence en dessous de 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. Le produit est, par exemple, un tube sans soudure. L'invention concerne aussi une pièce pour roulement en acier selon l'invention ayant une structure constituée de martensite, de carbures résiduels et de 5 % à % d'austénite résiduelle. L'invention concerne enfin, un roulement constitué de pièces selon l'invention, ayant, pour des conditions de travail correspondant à une contrainte maximale de Hertz pouvant atteindre 4,5 GPa et une déformation pouvant atteindre 150 pm, une durée de vie L10 au moins 4 fois supérieure à celle obtenue avec de l'acier 100Cr6 utilisé dans les mêmes conditions de chargement. L'invention va maintenant être décrite plus en détails et illustrée par des exemples. Pour fabriquer un roulement comportant des pièces de roulement telles que des bagues et des corps roulants ayant une bonne résistance à la fatigue, 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, 0o - plus de 0,75 %, et, de préférence, plus de 0,8 %, et mieux encore, plus de 1,2 % de silicium, de façon à augmenter la stabilité à chaud de l'austénite résiduelle (entre C et 450 C, environ, et de préférence au dessus de 300 C) et la dureté, mais, moins de 2,5 %, et de préférence, moins de 1,7 %, car lorsque la teneur en silicium est trop élevée, I'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 % et de préférence supérieure à 15 %; la teneur en manganèse doit être telle que: Mn le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Par ailleurs, pour obtenir une bonne endurance, la propreté inclusionnaire de l'acier est telle que, mesurée par la méthode A de la norme ASTM E 45, les conditions suivantes sont satisfaites: - inclusions de type A, fines: indice Les inclusions de type D étant des inclusions globulaires. Cet acier est coulé, et, éventuellement, laminé pour fabriquer un demiproduit qui peut être une billette ou 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 fil machine, un rond ou un tube sans soudure. L'ébauche de produit est alors soumise à un traitement thermique de globulisation consistant en un ou plusieurs chauffages à une température comprise 750 C et 850 C suivi de refroidissements dont la vitesse maximale est de 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 et une bonne usinabilité, procédé utilisé pour fabriquer, par exemple, par laminage à froid, par étirage à froid ou par tréfilage, un produit. Ce produit sert à fabriquer les ébauches de pièces, par exemple, les ébauches de billes, de rouleau ou de bagues de roulement. 6 2781813 La fabrication des ébauches de pièces, qui se fait par mise en forme à froid ou à chaud ou par tréfilage 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'une répartition homogène de carbures résiduels. 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 l'acier et des conditions d'austénitisation. L'homme du métier sait déterminer ces paramètres, par exemple à l'aide d'essais dilatométriques. Le revenu est effectué par chauffage au dessus de C afin de stabiliser la structure, mais inférieure à 400 C et de préférence inférieure à 250 C pour ne pas déstabiliser l'austénite résiduelle. ]s L'acier ainsi obtenu a, à dureté égale de 62 HRC, une résistance à la fatigue sensiblement améliorée par rapport à l'acier 100Cr6 ayant la même propreté inclusionnaire que l'acier selon l'invention. Cette tenue à la fatigue est bien mise en évidence à l'aide d'essais en fatigue de compression sur des plots de compression de 7 mm de diamètre, comportant 4 facettes de 3 mm de largeur, et hauts de 12 mm. Ces plots sont soumis à des efforts de compression périodiques faisant varier la contrainte entre 2450 MPa et 50 MPa, et on détermine le nombre de cycles au bout du quel le plot est rompu. Les essais de fatigue ayant, par nature un caractère statistique, on recommence les essais plusieurs fois. Les compositions chimiques des aciers testés à titre de premier exemple étaient (" inv "=acier selon l'invention;" comp "=100Cr6 à titre de comparaison): C Si Mn Ni Cr Mo AlI S |O inv. 1,011 1,53 1,00 0,16 1,44 0,030 0,039 0, 03 2,7 ppm comp. |1,012 0,23 0,33 0,33 1,43 0,027 0, 036 0,011 3,8 ppm 7 2781813 Les propretés inclusionnaires étaient: type A type B type C type D îsse mépIss eépaisse mincepaisse mince paisse mince paisse inv. 1,5 0,5 1 0 0 0 0,5 0 comp. 2 0,5 1 0 0 0 0,5 0 Les résultats ont été les suivants: Acier selon l'invention: plot n 1: Non rompu après 111 111 000 cycles plot n 2: Rompu à 41 111 000 cycles plot n 3: Non rompu après 111 111 000 cycles plot n 4: Rompu à 51 111 000 cycles 1o Acier 100Cr6 selon l'art antérieur: plot n 1: Rompu a 16 630 000 cycles plot n02: Rompu à 31 111 000 cycles plot n 3: Rompu à 20 788 000 cycles plot n 4: Rompu à 21 111 000 cycles De ces résultats il est possible de déduire que la limite d'endurance de l'acier selon l'invention est supérieure de 17 % à celle de l'acier 100Cr6, soit un gain d'environ 400 MPa. A titre de deuxième exemple, avec l'acier selon l'invention, on a fabriqué un roulement pour roue, comportant deux rangées de rouleaux coniques et on l'a testé avec une charge radiale Fr = 590 daN correspondant à une accélération de 0,6 G et une charge axiale Fa = 354 daN. Ces charges induisaient une déformation radiale de 0,14 mm (alors que les règles de conception actuelles n'admettent pas, pour cette application, des déformations supérieures à 0,04 mm), et une contrainte maximale de Hertz, calculée sans tenir compte des déformations, Po = 3,4 GPa. Les pièces du roulement ont subi une trempe étagée après austénitisation à 890 C, puis revenues à 230 C de façon à obtenir une teneur en austénite résiduelle d'environ 17 %. Puis on a testé les roulements sur un banc d'essai de façon à mesurer la grandeur L10 correspondant à la durée d'essai conduisant à l'endommagement de % des roulements. Le paramètre L10 est calculé selon la théorie statistique de WEIBULL sur un minimum de 8 roulements d'essai. A titre de comparaison, on a réalisé des roulements identiques en acier Cr6, trempé après austénitisation à 835 C et revenu à 170 C, conformément à l'art antérieur. Ces roulements ont été testés dans les mêmes conditions que les précédents. La propreté inclusionnaire était, dans les deux cas, conforme à l'invention. Les résultats ont été les suivants: _ _l__ fAcier selon l'invention 100Cr6 1% austénite résiduelle17% 19 % 16% 6 % L10 85 h 109 h 220 h 43 h Ces résultats montrent l'accroissement très sensible de durée de vie résultant de la meilleur tenue à la fatigue de l'acier selon l'invention. Par ailleurs, les durées de vie mesurées peuvent être comparées aux résultats durée de vie utilisés conformément à l'état de l'art pour dimensionner les roulements pour chaque application particulière. Pour le 100Cr6 classique, ces résultats ne sont valables que pour des taux de chargement conduisant à des contraintes maximales de Hertz inférieures à 3,5 GPa, et à des déformations inférieures à 50 pm. Dans cet exemple, la durée de vie évaluée a priori, conformément à l'art antérieur, aurait été supérieure à 80 h, ce qui aurait été considéré comme suffisant. Mais, les essais présentés ci-dessus, montrent que ces prévisions auraient été fausses pour l'acier 10OCr6 selon l'art antérieur, alors qu'elles sont valables pour l'acier selon l'invention. A titre de troisième exemple, on a testé sur banc d'essai des roulements à rouleaux cylindriques pour boite de vitesse relativement peu rigides, car de faible épaisseur (3,2 mm) réalisés d'une part en acier selon l'invention, d'autre part en acier 100Cr6, avec une charge radiale de 3000 daN conduisant à une contrainte maximale de Hertz calculée sans tenir compte des déformations (c'est à dire sous estimée) de 3,8 Gpa, et à une déformation de 55 pm. L'acier selon l'invention avait une dureté de 61,5 HRC et un taux d'austénite résiduelle comprise entre 12 % et 14 %, le 100Cr6 avait une dureté de 62 HRC et un taux d'austénite résiduelle compris entre 5 et 8 %. La propreté inclusionnaire était, dans les deux cas, conforme à l'invention. Les roulements ont été testé à 100 C avec une vitesse de rotation de 900 tours/mn. Les roulements conformes à l'invention ont eu une durée de vie L10 supérieure à 150 heures, alors que la durée de vie L10 des roulements en 100Cr6 était comprise entre 25 et 60 heures seulement. 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 O le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition satisfaisant les relations: Mn 1,2 % 4 - Acier selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa composition chimique est telle que: 0,9 % 1,3 % 1,2 % 7 - Procédé pour la fabrication d'une pièce pour roulement caractérisé en ce que: - on met en forme par déformation plastique à chaud un demi-produit en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 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 ou plusieurs chauffages à une température comprise entre 750 C et 850 C suivi de refroidissements dont la vitesse maximale est de 10 C/heure jusqu'à 650 C, afin d'obtenir une structure de dureté inférieure à 270 HV et comportant une dispersion homogène de carbures globulaires fins, et, éventuellement, une mise en forme par déformation plastique à froid, par exemple, un laminage à froid ou un étirage à froid ou un tréfilage, de façon à 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 isotherme ou par refroidissement par exemple à l'huile après austénitisation entre 800 C et 950 C, et un traitement thermique de revenu entre 100 C et 400 C et de préférence en dessous de 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 d'une répartition homogène de carbures fins, de martensite et de 5 % à % d'austénite résiduelle. 8 - Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que le produit est un tube sans soudure. 9 - Tube sans soudure en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. - Pièce pour roulement en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ayant une structure constituée d'une répartition homogène de carbures fins, de martensite et de 5 % à 30 % d'austénite résiduelle. 1il - Roulement constitué de pièces selon la revendication 10 caractérisé en ce que pour des conditions de travail correspondant à une contrainte maximale de Hertz comprise entre 3 GPa et 4,5 GPa et une déformation radiale comprise entre 50 pm et 150 pm, il a une durée de vie L10 supérieure à 4 fois la durée de vie du même roulement réalisé en acier 100Cr6 selon l'art antérieur et travaillant dans les mêmes conditions.