Brevet FR2816323A1 — publié le 20020510

Procédé et dispositif de traitement par trempe grenaillante La présente invention concerne le grenaillage d'une pièce mécanique de métal, notamment d'acier, après traitement thermique de durcissement. Il est connu, après le traitement thermique de durcissement des pièces mécaniques, de les grenailler pour enlever les bavures d'usinage et imposer une précontrainte de compression en surface destinée à améliorer la tenue en service des pièces fortement sollicitées (par exemple les engrenages). Jusqu'ici, à la connaissance du Demandeur, l'opération de grenaillage est réalisée dans une machine spéciale dans laquelle les pièces à température ambiante sont impactées par une projection de billes d'acier de diamètre compris entre 0,3 et 0,8 mm. Cette projection est réalisée à partir de turbine centrifuge tournant à 3000 trs/min ou de buses venturi à air comprimé sous 5 bars donnant aux billes une vitesse d'impact typiquement de l'ordre de 80 m/s. L'opération donne des résultats satisfaisants sur le produit, avec toutefois une limitation de profondeur de précontrainte sur pièces dures inférieure à 0,2 mm. En revanche, elle est assez difficile à maîtriser au niveau du process et de plus nécessite une importante infrastructure de mise en oeuvre par chargement et déchargement des pièces, usure et tri de grenaille, consommation et dépoussiérage de l'air. Le coût opératoire est proche de celui du traitement thermique, soit de l'ordre de 3 F/kg de pièce. Le but de l'invention est de proposer un procédé de grenaillages qui ne présente pas ces limitations et inconvénients, et qui soit moins coûteux. L'invention atteint son but grâce à un procédé de trempe et de grenaillage d'une pièce d'acier du type selon lequel on trempe la pièce au moyen d'un fluide de refroidissement et on grenaille la pièce au moyen de billes de grenaillage, caractérisé en ce qu'on grenaille la pièce lors de la fin de la trempe en chargeant le fluide de refroidissement de billes de grenaille. On se sert alors de la pression du fluide de refroidissement sortant par des gicleurs calibrés pour impacter la pièce en cours de refroidissement. Les avantages de l'invention concernent à la fois le produit, le process et le dispositif opératoire. Pour le produit, le grenaillage est réalisable au cours du refroidissement à chaud sur un métal plus mou, et en particulier sur un acier au-dessus du point de début de transformation martensitique à l'état austénitique, plus écrouissable. Il en résulte une profondeur de précontrainte plus importante et par mise en compression de la surface, une diminution du risque de formation de tapures de trempe. De plus, cette trempe grenaillante réalisée en fin de refroidissement en dessous de 500oC sur acier et à une vitesse de refroidissement modérée permet de refroidir la pièce en condition isotherme en tout point et d'en réduire les déformations thermiques. Pour le process, l'invention permet une meilleure maîtrise des paramètres de projection par l'entraînement des billes de grenaillage par un fluide contrôlable en débit, pression, densité des billes et un positionnement de type machine-outil du dispositif de trempe-grenaillage par rapport à la pièce. Ceci assure une reproductibilité de l'opération qui garantit la constance de qualité des pièces. Enfin, au niveau opératoire, le grenaillage peut se faire en simultané avec le chauffage par induction et la trempe. La machine spéciale de grenaillage est remplacée par un outillage de trempe-grenaillage sur la machine de trempe par induction. Le coût opératoire du grenaillage est réduit de plus des deux tiers par suppression d'une opération supplémentaire et son intégration au traitement thermique. Avantageusement, le procédé de l'invention comprend une première phase de trempe rapide suivie d'une seconde phase de trempe moins rapide au cours de laquelle on grenaille la pièce. La vitesse de refroidissement de la première phase est de préférence supérieure à 100 C/s et celle de la seconde phase de préférence inférieure à 50 C/s. L'invention vise aussi un dispositif de mise en oeuvre du procédé cidessus, caractérisé en ce qu'il comprend un premier dispositif de trempe rapide de pièce et un second dispositif de refroidissement et de grenaillage de pièce. Avantageusement, les deux dispositifs sont disposés verticalement l'un au-dessus de l'autre. Le premier dispositif comprend des moyens pour faire tourner la pièce sur un axe vertical, un inducteur annulaire et une douche annulaire coaxiale alimentée en liquide de trempe, tandis que le second dispositif comprend des gicleurs disposés annulairement et alimentés en fluide de refroidissement sous pression chargé de billes de grenaillage. Des moyens de transfert rapide sont prévus entre le premier et le second dispositifs. Il est prévu des moyens de récupération du liquide de trempe et des billes de grenaillage, et des moyens de séparation desdites billes et du liquide de trempe en vue de leur recyclage. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et caractéristiques seront mis en évidence à la lecture de la description suivante, se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un graphique représentant l'évolution de la température de la surface de la pièce en fonction du temps, lors du traitement conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe verticale d'une installation de mise en oeuvre du procédé de traitement de l'invention. La figure 1 montre l'évolution de la température de la surface de la pièce à partir de l'austénitisation de la surface à une température proche de 1000oC. On distingue deux phases de refroidissement : - une première phase, au cours de laquelle la pièce est trempée énergiquement à une vitesse de refroidissement supérieure à 100 C/s sous eau additivée pendant quelques secondes (2 à 10s) pour atteindre une température comprise entre 550 oC et 350 oC pour les aciers mi-durs de manière à éviter la transformation ferrito-perlitique. - après un très court transfert (inférieur à 0, 5s) vers un second outillage, la pièce est trempée grenaillée sous fluide chargé de billes pour achever son refroidissement à une température inférieure à 100 oC à une vitesse de refroidissement modérée inférieure à 50 C/s, de manière à assurer la transformation martensitique (seuil Ms du graphique) en isotherme et sous précontrainte. La figure 2 illustre le dispositif de mise en oeuvre du traitement et comprend deux outillages destinés respectivement aux première et seconde phases susdites et intégrés dans la machine de trempe par induction. La pièce 1 est montée de manière à pouvoir tourner autour de l'axe vertical XX' et est chauffée dans un inducteur 2. La deuxième phase commence par la trempe énergique sous eau additivée 3 distribuée à travers des ouvertures de l'inducteur 2 par une douche annulaire coaxiale 4 disposée autour de l'inducteur. Après transfert vertical, la pièce 1 passe dans le second dispositif où elle est refroidie et précontrainte par impact du fluide chargé de billes de grenailles 5 projetés à partir de gicleurs calibrés 6 alimentés sous forte pression (de 5 à 15 bars) pendant le temps nécessaire (supérieur à 10 secondes) pour atteindre une température inférieure à 100 cl. Le liquide de trempe et le fluide de refroidissement chargé de billes sont récupérés, mélangés, en dessous des dispositifs. Les billes sont séparées du mélange par filtration sur tamis et réintroduites dans le chargement en fluide de refroidissement par aspiration. Le liquide de trempe ainsi filtré est pompé et recyclé classiquement. REVENDICATIONS 1. Procédé de trempe et de grenaillage d'une pièce de métal, notamment d'acier, et du type selon lequel on trempe la pièce au moyen d'un fluide de refroidissement et on grenaille la pièce au moyen de billes de grenaillage, caractérisé en ce qu'on grenaille la pièce lors de la fin de la trempe en chargeant le fluide de refroidissement de billes (5) de grenaille. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par une première phase de trempe rapide suivie d'une seconde phase de trempe moins rapide au cours de laquelle on grenaille la pièce. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement de la première phase est supérieure à 100 oC/s et celle de la seconde phase inférieure à 50 C/s. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la première phase suit un traitement de chauffage par induction. 5. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un premier dispositif (2,4) de trempe rapide de pièce et un second dispositif (6) de refroidissement et de grenaillage de pièce. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux dispositifs (2,4 ; 6) sont disposés verticalement l'un au-dessus de l'autre. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le premier dispositif comprend des moyens pour faire tourner la pièce sur un axe vertical (XX'), un inducteur annulaire (2) et une douche annulaire (4) coaxiale alimentée en liquide de trempe. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le second dispositif comprend des gicleurs disposés (6) annulairement et alimentés en fluide de refroidissement sous pression chargé de billes (5) de grenaillage. 9. Dispositif selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de récupération du liquide de trempe et des billes (5) de grenaillage, et des moyens de séparation desdites billes et du liquide de trempe en vue de leur recyclage.