Brevet FR2785296A1 — publié le 20000505

Procédé pour le traitement thermique de pièces en acier ou en fonte " La présente invention se rapporte à un procédé pour le traitement thermique de pièces en acier ou en fonte, en particulier de pièces en acier à roulements trempant. Selon les applications et selon le type et les dimensions des roulements, le fabricant détermine le type de traitement thermique auquel sont soumises les pièces des roulements. Pour des aciers à roulements trempants, on dispose, en tant que procédés de traitement thermique, de la trempe martensitique ou la trempe bainitique. Selon le traitement thermique utilisé, les pièces présentent des caractéristiques correspondantes telles que par exemple la dureté, la structure, la teneur en austénite résiduelle, la stabilité dimensionnelle. Le tableau ci-après donne un aperçu et une comparaison de ces procédés et des résultats obtenus: Dureté Austénite Stabilité Procédé HRC résiduelle dimensionnelle % D/D Martensite 62.. 65 8...16 +60m/10lOm (revenu normal) Martensite 58.. 62 transformation martensitique complète, soit une trans- formation bainitique complète, les combinaisons temps- température, le refroidissement et la transformation dans le domaine bainitique étant effectués de la manière prédéterminée sur des diagrammes TTT (voir à ce /sujet figure 1 qui est un extrait de l'ouvrage "Atlas zur Wârmebehandlung der Stâhle" (Atlas pour le traitement thermique des aciers)); - le temps nécessaire pour donner aux pièces les carac- téristiques recherchées est relativement long; dans le cas d'aciers à roulements trempants, ce temps s'élève à plus de 4 heures, aussi bien lors de la trempe bainitique que lors de la stabilisation de pièces à trempe martensitique - en raison de l'exclusivité des procédés connus jusqu'à présent, il n'est possible ni d'obtenir une combinaison de caractéristiques de bainite et de martensite, ni de réduire la durée totale du procédé. Le but de la présente invention est de fournir un procédé pour le traitement thermique de pièces en acier, en particulier de pièces en acier à roulements trempant, permettant d'établir des états intermédiaires quelconques de la structure entre la martensite et la bainite et d'adapter les caractéristiques des pièces selon les besoins, en permettant simultanément une réduction de la durée de traitement. Ce but est atteint, selon l'invention, par un procédé comprenant les étapes suivantes: a) chauffage des pièces à la température d'austéniti- sation, b) austénitisation par maintien à cette température, c) refroidissement rapide à peu près jusqu'au point de démarrage de transformation martensitique (tempéra- ture MS) d) maintien à la température de transformation baini- tique jusqu'à transformation partielle, e) refroidissement rapide, après transformation partiel- le, jusqà la température ambiante, f) maintien de courte durée à la température ambiante, et ensuite g) revenu de courte durée. Suivant le procédé conforme à l'invention, il est possible de faire varier et de régler les paramètres suivants du procédé: austénitisation vitesse de refroidissement à partir de la température d'austénitisation, température du début de la transformation bainitique, durée de maintien dans le domaine bainitique, mode de refroidissement après ce traitement (vitesse, température finale), durée de maintien jusqu'au traitement de revenu, revenu de courte durée. Le réglage de ces paramètres est basé sur les considérations ci-après. Austénitisation La teneur en carbone de la matrice peut être établie en passant par des combinaisons temps-température correspon- dantes (voir diagrammes d'austénitisation temps-tempéra- ture). Cette teneur conditionne également le point de démarrage de transformation martensitique, la durée jusqu'au début de la transformation bainitique et la durée de cette transformation. Vitesse de refroidissement (trempe) La vitesse de refroidissement doit, suivant une autre caractéristique de l'invention, être choisie comme pour la trempe martensitique standard et également la trempe bainitique standard, de manière à prévenir la formation de troostite (précipitation de perlite sous forme de lamelles fines dans la structure de transformation). Le refroidissement peut, selon d'autres caractéristiques de l'invention, être effectué comme cela est usuel jusqu'à présent dans des bains de sel ou des huiles en tant que fluides de trempe. On peut cependant utiliser également des mélanges eau- air (spray) ou des gaz. Le refroidissement des pièces est arrêté selon l'invention avant que le point de démarrage de transformation martensitique (température MS) soit atteint. Pour un acier à roulement trempant, cela signifie une température d'environ 235 C (après austéni- tisation complète). Un abaissement de faible durée de la température des pièces à des valeurs situées en-dessous de la température MS peut s'avérer avantageux. Dans un tel cas, il se formerait déjà de la martensite dans la couche extérieure avant que la transformation ait lieu sur la partie restante de la section de la pièce. Température du début de transformation bainitique Cette température détermine le type de bainite qui se forme (bainite inférieure/supérieure) et donc également les caractéristiques de cette partie de structure. Plus cette température est élevée, plus la dureté résultante est faible et plus la ténacité est élevée (tout au moins dans le domaine de bainite inférieure). Suivant une autre caractéristique de l'invention, la température doit se situer à proximité au-dessus de la température MS, donc entre environ 225 et environ 270 6C, car dans le cas contraire, en raison de la dureté réduite, il faut s'attendre également à une réduction de la durée de vie et de la durée d'utilisation. Durée de maintien à la température de transformation bainitique Plus la durée de maintien à cette température est longue, plus la proportion de structure bainitique est importante. La proportion de bainite qui se forme n est pas proportionnelle à la durée de maintien dans la zone de transformation. Déjà après environ 20 % du temps nécessaire pour la transformation complète, environ 50 % de la struc- ture s'est transformée en bainite. Une variation de la durée de maintien conduit à une variation des proportions des phases dans la structure (bainite, martensite et austénite résiduelle) et conduit ainsi à des caractéristiques modifiées des produits. Refroidissement après transformation partielle Le refroidissement doit se dérouler le plus rapidement possible. Suivant une autre caractéristique de l'invention, ce résultat est obtenu par utilisation de mélanges eau-air. Un refroidissement dans l'air au repos ne semble pas recommandable car cela augmenterait la durée totale du procédé, la proportion de bainite augmenterait au moins encore jusqu'à ce que la température MS soit atteinte, et d'éventuelles contraintes susceptibles de conduire A la formation de fissures (microfissures) pourraient se pro- duire. La température finale est normalement la température ambiante. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est cependant possible d'intercaler un post-refroidis- sement, comme cela est usuel pour la trempe martensitique standard (5. 10 C). Ce post-refroidissement améliore la..DTD: stabilité dimensionnelle des pièces. Maintien avant revenu La durée de maintien jusqu'au début du revenu doit être la plus courte possible. Suivant une caractéristique de l'invention, cette durée doit s'élever au maximum à environ mn. Sur la base de l'expérience acquise, entre autres avec des installations de trempe rapide, une limitation à ' 3 mn est également techniquement possible. Revenu de courte durée Le revenu qui agit sur la martensite formée lors du refroidissement à partir de la température de démarrage de transformation martensitique et le cas échéant sur la bainite déjà présente auparavant est effectué suivant le procédé de revenu de courte durée, tel que décrit dans le brevet DE 40 07 487 C2. Il est possible à ce sujet de choisir la température de l'installation ainsi que la durée de passage totale de telle manière que les valeurs de dureté nécessaires, les teneurs en austénite résiduelle, les exigences de stabilité dimensionnelle etc. puissent être respectées. Selon le choix des paramètres précités du procédé, il se produira, lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, une structure dans laquelle des proportions différentes de bainite, martensite et le cas échéant austénite résiduelle sont présentes côte à côte. Ces proportions peuvent en outre varier sur la section des pièces. En raison du strict respect nécessaire des paramètres de procédé (tels que par exemple durée de maintien, température, caractéristiques des fluides de trempe), il est indispensable d'utiliser des installations répondant aux exigences en ce qui concerne la possibilité de commande de processus, l'uniformité de température etc. Cela est également la condition pour que les exigences imposées au produit puissent être établies de façon con- trôlée et puissent également être atteintes. Les tolérances usuelles jusqu'à présent par exemple pour la dureté peuvent être resserrées. Au lieu d'exiger une dureté 58-62 HRC après trempe martensitique (stabilisée) ou trempe bainitique, il est possible d'exiger par exemple 58...60 HRC, 59...61 HRC ou le cas échéant également 62...63 HRC. Pour l'établissement contrôlé des paramètres du procédé, il est recommandé d'utiliser des programmes sur PC appropriés qui calculent les caractéristiques attendues des produits entre autres à partir de la composition chimique de l'acier utilisé et des conditions d'austénitisation, de trempe et de transformation. Cela permet une sorte d'auto-optimisation du procédé. La figure 2 représente un diagramme le déroulement du procédé conforme à l'invention. Les pièces sont d'abord chauffées à la température d'aus- ténitisation (environ 860-1050 C) et sont maintenues à cette température, selon l'épaisseur de paroi des pièces, entre environ 0,01 et environ 0,5 heure (1). A partir de cette température d'austénitisation, on refroidit les pièces brutalement dans un bain de sel à une température d'environ 225 à 270 OC située tout juste au- dessus de la température MS (2), la vitesse de refroidissement étant choisie de manière à prévenir la formation de troostite. Les pièces sont maintenues (3) à cette température jusqu'à ce que la proportion désirée de bainite soit établie par rapport à la martensite et à l'austénite résiduelle. Dans l'exemple représenté, la durée de maintien s'élève à environ 1 heure. Ce maintien est suivi d'un refroidissement rapide (4) des pièces, par exemple avec utilisation d'un mélange eau-air, jusqu'à la température ambiante. Après un court maintien (5) de 3 minutes au maximum à cette température, on procède à un revenu de courte durée (6). Ce revenu de courte durée peut être effectué selon le brevet allemand DE 40 07 487, suivant lequel les pièces snt portées, en l'espace d'une durée de chauffage limitée selon la formule t /d = 50 à 210 ( o t = durée de chauffage en secondes, d = épaisseur de paroi de la pièce en mm) à une température supérieure de jusqu'à 100 K à la température de revenu de 200 A 260 C, la température appliquée étant choisie de manière que la durée de chauffage prédéfinie conduise à une dureté des pièces de 55 à 65 HRC, ces dernières étant ensuite directement refroidies à la température ambiante. Comme déjà mentionné, il est possible d'intercaler un post-refroidissement entre ce refroidissement après trans- formation partielle et le maintien avant revenu de courte durée. Ce procédé conforme A l'invention, comme le montre la figure 3, est sensiblement plus court que la trempe bainitique usuelle. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le traitement thermique de pièces en acier ou en fonte, en particulier des pièces en acier à roulements trempant, caractérisé par les étapes suivantes: a) chauffage des pièces à la température d'austéniti- sation, b) austénitisation par maintien à cette température, c) refroidissement rapide à peu près jusqu'au point de démarrage de transformation martensitique (tempéra- ture MS) d) maintien à la température de transformation baini- tique jusqu'à transformation partielle, e) refroidissement rapide, après transformation par- tielle, jusqu'à la température ambiante, f) maintien de courte durée à la température ambiante, et g) revenu de courte durée. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la vitesse de refroidissement dans l'étape c) du procédé est choisie de manière à prévenir la formation de troostite. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la trempe est arrêtée avant que la température soit inférieure au point de démarrage de transformation martensitique. 4. Procédé suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que la trempe est effectuée en bain de sels. 1i 5. Procédé suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que la trempe est effectuée à l'huile. 6. Procédé suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que la trempe est effectuée dans des mélanges eau-air. 7. Procédé suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que la trempe est effectuée dans un gaz. 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le maintien selon l'étape de procédé d) est effectué à des températures à proximité au- dessus de la température MS. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le refroidissement selon l'étape e) du procédé s'effectue dans des mélanges eau-air. 10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'un post-refroidissement est intercalé entre les étapes e) et f) du procédé. 11. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que la durée du maintien selon l'étape f) du procédé est limitée à 5 mn au maximum. 12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé par le fait que la durée de maintien est limitée à ' 3mn.