Brevet FR2837498A1 — publié le 20030926

gAne mppodeur DESCRIPTION La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un élément métallique par chauffage suivi d'une trempe par refroidissement rapide, dans lequel des zones de l'élément restent non trempées. On conna^t des techniques de production d'éléments moulés et durcis à l'aide d'outils pour des composants de l'industrie automobile dont les propriétés du matériau restent o constantes sur l'ensemble de la pièce, par exemple pour les composants de châssis tels que les barres de liaison ou traverses, ou des éléments de structure comme les barres de renfort de porte, les montants B. les renforcements ou les boucliers. Les éléments moulés sont durcis dans leur intégralité puis soumis, le cas échéant, à un processus de revenu en cas de traitement thermique. Ces éléments doivent d'une part présenter une résistance élevée afin de rester stables en cas de choc par exemple et d'autre part pouvoir se déformer au moment d'un choc pour que l'énergie de choc puisse être convertie en énergie de déformation. Pour différents cas d'application dans le secteur de la technique automobile, les éléments moulés doivent avoir une résistance élevée sur certaines de leurs parties et une ductilité élevée sur d'autres. Un montant B doit, par exemple, être relativement ductile à sa base, alors que sa partie supérieure doit pouvoir répondre à des exigences élevées en matière de résistance. Outre le renforcement par des tôles additionnelles ou i'assemblage d'éléments ayant différents niveaux de résistance, des techniques qui consistent à soumettre un élément à un traitement thermique afin qu'il présente, de façon ponctuelle, une résistance ou ductilité supérieure, sont également déjà connues. Le document DE 197 43 802 C2 présente un procédé de fabrication d'éléments moulés pour les composants d'automobile avec des zones de ductilité différente, lors duquel, avant ou après le moulage par compression, la tôle initiale n'est chauffée que partiellement ou, après avoir été préalablement chauffée de façon homogène, est réchauffée de manière ciblée so da ns les zones o l 'on souhaite atteindre une ductilité supérieure. Le chauffage ultérieu r, destiné à produire des zones ductiles, présente toutefois un risque de déformation de l'élément moulé. Le document DE 197 23 655 A1 décrit un procédé de durcissement partiel d'un élément moulé, au cours duquel la tôle est chauffée de façon homogène dans un four, puis durcie dans une paire d'outils refroid is, le durcissement étant em pêché dans des zones partielles de la pièce usi n ée par u n ra le ntissem ent d u refro id isseme nt obtenu par des évidements ou des applications d'isolation thermique placés dans l'outil aux endroits correspondants ou par un chauffage inductif influençant ponctuellement l'outil. Le but de ce procédé est de permettre un traitement ultérieur des parties non durcies de l'élément moulé, par exemple par poinçonnage. Le procédé du document DE 197 23 655 A1 présente cependant des problèmes pour un formage à chaud, puisqu'il n'est pas possible de former les zones de la pièce usinée correspondant aux évidements de l'outil et que les applications d'isolation thermique, nécessaires pour empêcher le durcissement afin d'obtenir la formation de zones o ductiles plus importantes, risquent de casser et gênent par conséquent le processus de formage. Le durcissement inductif, applicable uniquement à des pièces ayant déjà atteint leur forme définitive, est une étape de travail en soi. Un durcissement inductif ultérieur est en outre coûteux et recèle des risques de déformation. s Le fascicule du brevet européen EP 0 816 520 B1 contient une description d'un élément moulé ainsi que d'un procédé permettant de varier la résistance et la dureté de manière définie sur la longueur de l'élément, ce dernier étant chauffé par induction après son formage, puis refroidi brusquement pour obtenir des zones durcies. Le document DE 200 14 361 U1 décrit un montant B ayant également des zones de résistance différente. Ce montant B est fabriqué par formage à chaud à partir d'une tole moulée ou d'un profil longitudinal préformé, austénitisé dans un four avant d'être formé/durci dans un outil refroidi. Pour le passage au four, il est possibie d'isoler de l'influence des températures des surfaces importantes de la pièce usinée, afin d'empêcher un réchauffement à la température d'austénitisation dans les zones ainsi déterminées et d'y éviter la formation d'une structure martensitique au cours du durcissement dans l'outil. Une alternative consiste à austénitiser tout d'abord complètement le profil longitudinal puis, lors de l'acheminement vers l'outil de durcissement, à refroidir une zone déterminée à so une température nettement inférieure à la température d'austénitisation par un refroidissement ciblé et pas trop brusque, par exemple à l'air. Dans l'outil de retroidissement, il se forme ensuite une structure non pas purement martensitique mais mixte, avec des parts nettes de ferrite/bainite ayant des propriétés ductiles. Du point de vue de leur mise en _uvre pratique pour une production de masse, ces procédés présentent toutefois un certain nombre de problèmes qui rendent la production de masse coûteuse. L'isolation dans le four est techniquement compliquée, étant donné que chaque pièce nécessite pour chaque cycle sa propre isolation, que cette étape préparatoire prolonge le processus de form age à chaud et que, lorsq u'elle est fi nalement réutilisée, I'isolation se réchauffe avec le reste. Un refroidissement ciblé et pas trop brusque d'une zone limitée, à une température nettement inférieure à la température d'austénitisation, pendant l'acheminement est. de son côté, difficile à contrôler en raison des conditions de refroidissement qui règnent dans la production de masse, compliquant ainsi un contrôle approprié de la température de chaque produit à usiner. L'objectif de la présente invention est donc de développer un procédé de fabrication d'éléments métalliques ayant au moins deux zones de structure différente, adapté à la production de masse. Cet objectif est atteint avec le procédé selon l'invention dans lequel l'élément métallique est chauffé au moyen d'un chauffage par conduction électrique et seules certaines zones de l'élément métallique sont chauffées à une température supérieure à la température d'austénitisation durant ou avant le chauffage par conduction électrique. On obtient ainsi un chauffage partiel de 1'élément métallique. L'élément métallique peut être par exemple une platine ou d'un élément prémoulé en acier ou en métal léger, un profil extrudé en métal léger ou une ébauche forgée. Ce chauffage partiel de la pièce métallique peut être obtenu en refroidissant et / ou en court-circuitant électriquement et / ou thermiquement de façon ciblée certaines zones afin de maintenir ces zones sous la température d'austénitisation. L'avantage du procédé conforme à l'invention réside dans le fait que des éléments peuvent être traités avec ce procédé dans une installation compacte avec des cadences élevées. Le chauffage par conduction électrique nécessite moins de place qu'un four de recuit. En outre, il est possible de chauffer entièrement un élément à la température d'austénitisation en quelques secondes. Les zones, qui après la trempe doivent présenter une structure plus ductile, peuvent être maintenues avec précision à une température inférieure par refroidissement ou mise en court-circuit. Dans un mode de réalisation particulier du procédé selon l'invention, le refroidissement ciblé est assuré en appliquant localement des corps réfrigérants, des liquides réfrigérants ou des gaz réfrigérants sur les zones de l'élément métallique qui doivent présenter une structure plus ductile. De cette manière, pendant le chauffage par conduction électrique, on maintient ces zones à un niveau de température inférieur à la température d'austénitisation, de sorte à ce qu'il ne se forme pas de martensite dans ces zones lors d'un processus de trempe ultérieur. Dans une variante de réalisation du procédé conforme à l'invention, des électrodes d'un o arrangement de contact par électrodes peuvent être reliées durant le chauffage par conduction électrique à l'élément métallique par-dessus les zones qui doivent avoir une structure plus ductile, afin de court-circuiter électriquement ces zones, par exemple à l'aide de conduites électriques ou d'électrodes en plaque. Pour courtcircuiter électriquement certaines zones, on applique de préférence à l'élément au moins un corps solide distinct des électrodes et dont la conductivité électrique est supérieure à celle de 1'élément métallique. Ce corps solide peut être par exemple une pièce en cuivre qui présente une géométrie définie avec laquelle peut être réalisée la forme voulue de la zone plus ductile à obtenir d'un élément, par exemple en acier. Etant donné que le cuivre est meilleur conducteur non seulement du courant mais aussi de la chaleur que l'acier, la pièce de cuivre court-circuite la zone qui doit présenter des propriétés plus ductiles dans 1'élément final, non seulement électriquement, le courant passant à travers le cuivre au lieu de passer à travers l'acier, mais également thermiquement, la pièce de cuivre évacuant la chaleur produite. Il s'ensuit que la zone correspondante est maintenue à une température inférieure par rapport au reste de l'élément et qu'elle n'est, de cette manière, pas durcie lors de la trempe par refroidissement rapide. Les zones définies de l'élément, qui pendant le chauffage par conduction électrique doivent rester en dessous de la température d'austénitisation, peuvent être notamment refroidies de façon ciblée, en leur appliquant les liquides réfrigérants et / ou les gaz réfrigérants accélérés au moyen de buses. Afin d'éviter une perte d'énergie trop importante so dans les zones de l'élément qui sont adjacentes à ces zones définies et qui doivent être amences avec le chauffage par conduction électrique à une température supérieure à la température d'austénitisation, il peut être déjà suffisant d'appliquer comme corps réfrigérants des corps solides mauvais conducteurs de l'électricité sur les zones de l'élément qui sont maintenues en dessous de la température d'austénitisation. Il est ainsi possible, par exemple durant le chauffage par conduction électrique, d'appliquer un corps solide en céramique sur un élément en acier. La céramique est un mauvais conducteur de courant électrique, c'est pourquoi le courant continue de passer presque complètement à travers l'élément en acier. La chaleur ainsi produite dans la zone o se trouve le corps en céramique est cependant évacuée au moins en partie dans le corps en céramique. Ainsi cette zone est maintenue à une température inférieure à la température d'austénitisation tandis qu'en même temps le reste de l'élément est chauffé, avec le moins de perte d'énergie possible, à une température supérieure à la température d'austénitisation, de sorte qu'après une trempe postérieure, on obtient un élément avec des zones dures et des zones ductiles. Il peut être déjà suffisant d'appliquer comme corps réfrigérant un corps solide métallique dont la conductivité électrique o est plus faible que celle de l'élément métallique. Les procédés selon l' invention sont mis en _uvre de manière particulièrement avantageuse si la trempe est réalisée dans un outil de formage à chaud. Avec le procédé décrit ici, il est en particulier possible de réaliser un finissage dans des zones non-trempées de l'élément, comme par exemple une perforation ou une coupe. L' invention est décrite ci-dessous pl us en détail au moyen d'exem ples de réalisation illustrés par les figures suivantes qui montrent: Figure 1: une représentation schématique en vue de dessus d'une platine (1) ayant une section transversale constante sur sa longueur, avec 2 électrodes (2, 2a) et deux éléments de mise en court-circuit (3, 3a); Figure 2: une coupe détaillée d'une section dans la direction longitudinale du flux de courant électrique au travers de la platine (1) de la figure 1 sur laquelle est appliqué des deux côtés un élément de mise en court-circuit (3, 3b) conducteur d'électricité, à l'état non- chauffé; Figure 3: une coupe détaillée de la figure 2 pendant un chauffage par conduction électrique; so Figure 4: une représentation schématique en vue de dessus d'une platine (8) ayant une section transversale irréqulière sur sa longueur, avec 4 électrodes (9, 9a-c), deux éléments réfrigérants (13, 13a) et une zone préchauffée; Figure 5: une coupe détaillée d'une section transversale de la platine (8) de la figure 4 sur laquelle est appliqué des deux côtés un élément réfrigérant (13, 13b) avant un chauffage par conduction électrique; Figure6: une coupe détaillée de la figure 5 durant un chauffage par conduction électrique; Figure7: une représentation schématique d'une coupe transversale dans le sens longitudinal du flux de courant électrique à travers une platine (1) avec deux éléments de mise en court-circuit mauvais conducteurs du courant (15, 15a) avant un chauffage par conduction électrique; Figure 8: une représentation schématique de la figure 7 durant le chauffage par conduction électrique; Figure 9: une représentation schématique en vue de dessus d'une platine (16) ayant une section transversale irrégulière sur sa longueur; Figure 10: la platine (16) de la figure 9 avec trois électrodes pour le chauffage (9, 9a, 18) et divers éléments de mise en court-circuit (3, 3a-b, 15, 15a-c, 17, 17a); Figure 11: la platine (16) de la figure 9 après chauffage avec des zones trempées (19) et non-trempées (20, 20a-b, 21, 21a-c, 22, 22a). La figure 1 montre en vue de dessus schématique une platine (1) rectangulaire en acier sur les extrémités extérieures de laquelle est fixée une éiectrode (2, 2a), aussi bien sur la face supérieure que sur la face inférieure de la platine (1), pour permettre un chauffage par conduction électrique. Ces électrodes font partie d'un circuit électrique (5, 5a), la platine (1) pouvant ainsi être chauffée en quelques secondes par conduction électrique. La zone chauffée est indiquée sur un fond gris (4). Sur la platine (1) se trouvent deux éléments de mise en courtcircuit (3, 3a) qui doivent empêcher à ces endroits que la platine (1) n'atteigne la température d'austénitisation. Ces éléments de mise en court-circuit (3, 3a) sont des corps solides conducteurs d'électricité tels que par exemple des cylindres en cuivre. La figure 2 montre de façon détaillée une coupe dans le sens longitudinal du flux de courant électrique de la platine (1) de la figure 1 dans la zone o se trouve le corps solide conducteur d'électricité (3, 3b). Celuici est appliqué sur la face supérieure (3) et sur la face inférieure (3b) de la platine (1). La figure 2 montre la platine (1) à l'état initial avant un o chauffage par conduction électrique. Sur la figure 3, une tension (7) est appliquée à la platine (1). Le courant électrique circule dans le sens des flèches (7) du pôle positif à travers la platine (1) vers les corps solides conducteurs électriques (3, 3b), par exemple des cylindres en cuivre, qu'il traverse, pUiS à nouveau à travers la platine vers le pôle négatif. Ainsi, les zones de la platine (1) situées à droite et à gauche des corps solides (3, 3b) sont chauffées (4) à la température d'austénitisation, tandis que dans la zone o sont appliqués les corps solides (3, 3b) non seulement le courant mais également la chaleur sont déviés dans les corps solides (3, 3b). Ainsi, la zone (6) de la platine (1) située entre les deux corps solides appliqués (3, 3b) reste en dessous de la température d'austénitisation. Par conséquent, il reste des zones non- trempées (6) dans la platine (1) après une trempe postérieure. La figure 4 montre schématiquement en vue de dessus une platine (8) ayant une section transversale irréqutière, avec deux extrémités étroites et un centre plus large. On a o placé une électrode (9, 9a, 9b, 9c) sur la face supérieure et la face inférieure de la platine (8) à chacune des extrémités de la platine et dans les zones de transition entre les zones de faible section et la zone de section plus importante. Les deux électrodes intérieures (9a, 9b) sont raccordées à un circuit (11) avec lequel la partie centrale (12) de la platine (8) de section plus importante peut être soumise à un préchauffage ou un chauffage final. Si les extrémités de cette platine (8) doivent rester plus ductiles, elles ne sont pas chauffées avec le reste de la platine, aucune tension n'étant appliquée entre les deux électrodes extérieures (9, 9c). Il est cependant également possible d'amener, après un préchauffage de la partie centrale, I'élément entier à la température d'austénitisation au moyen d'une tension (10) appliquée entre les deux électrodes extérieures (9, 9c). Dans tous les cas, deux zones de la platine (8), sur lesquelles sont appliqués des éléments réfrigérants (13, 13a), peuvent être maintenues en dessous de la température d'austénitisation. Comme le montre la coupe de la figure 5, les éléments réfrigérants (13, 13b) peuvent être des buses avec lesquelles on peut appliquer un liquide réfrigérant, comme de l'huile, ou du gaz réfrigérant, comme par exemple de l'air. La figure 5 montre la platine (8) à l'état non- chauffée avec des buses à l'arrêt. Sur la figure 6, on applique une tension à la platine (8). Le courant électrique circule à présent à travers la platine (8) en la chauffant. La platine est chauffée à droite et à gauche so des tuyères en marche (13, 13b) à ou au-dessus de la température d'austénitisation (12). Là o les buses (13, 13b) appliquent sur la platine (8) dans le sens des flèches un agent réfrigérant, le courant circule certes à travers la platine mais la température de chauffage (14) reste toutefois en dessous de la température d'austénitisation. Après une trempe postérieure, cette zone refroidie (14) de la platine (8) demeure à un état plus ductile que le reste de la platine (8). La figure 7 montre schématiquement en coupe une platine (1) sur laquelle est appliqué un corps solide (15, 15a) mauvais conducteur d'électricité, tel qu'un cylindre en céramique, posé sur les deux côtés de la platine. Sur la figure 7, aucun chauffage par conduction électrique n'a encore eu lieu. Sur la figure 8, on applique une tension à la platine (1). Le courant électrique circule à travers la platine et la chauffe ainsi à ia température d'austénitisation dans les zones (4) situées à droite et à gauche des cylindres en céramique (15, 15a). Les cylindres en o céramique (15, 15a) absorbant au moins en partie la chaleur produite lors du chauffage par conduction électrique, comme l'indiquent les flèches, la platine (1) reste au niveau de ces cylindres en céramique (15, 15b) en dessous de la température d'austénitisation malgré le passage du courant électrique (6). La figure 9 montre schématiquement une platine (16) avec une section irréqulière sur sa longueur. La figure 10 montre la platine (16) de la figure 9. On applique sur l'extrémité plus large de la platine (16) deux électrodes (9, 9a) et sur l'extrémité plus étroite une électrode (18), o aussi bien sur la face supérieure et que sur la face inférieure de la platine (16), afin de la chauffer par conduction électrique. Les zones latérales de la platine (16) sont recouvertes chacune sur une surface relativement importante d'un corps solide mauvais conducteur d'électricité (17, 17a), comme par exemple une plaque de céramique. Au centre de la platine (16) se trouvent quatre corps solides circulaires mauvais conducteurs d'électricité (15, 15a, 15b, 15c), comme par exemple quatre cylindres en céramique, chacun ne couvrant qu'une zone relativement petite de la platine (16). On applique dans les zones latérales situées à l'extrémité plus large de la platine (16) et au centre de l'extrémité étroite de la platine (16) des corps solides conducteurs d'électricité (3, 3a, 3b), comme par exemple des cylindres en cuivre. Lors du chauffage par conduction électrique de la platine (16), le courant électrique so circule des deux électrodes (9, 9a) situées au niveau de l'extrémité plus large de la platine vers l'électrode (18) située à l'extrémité plus étroite de la platine. Le courant électrique chauffe toutes les zones de la platine (16) à l'exception des zones recouvertes avec les corps solides (3, 3a, 3b, 15, 15a, 15b, 15c, 17, 17a). Les corps solides conducteurs d'électricité (3, 3a, 3b) court-circuitent alors les zones sur lesquelles ils se trouvent, au moins électriquement, s mais également therm iq uement dans le cas de cylindres en cu ivre. Les corps solides ma uvais conducteurs (15, 15a, 15b, 15c, 17, 17a), en céramique par exemple, court-circuitent la platine (16) principalement par voie purement thermique en absorbant la chaleur de la platine (16), de sorte que la platine (16) reste dans ces zones en dessous d'une température de trempe. La figure 11 montre schématiquement la platine (16) après un chauffage suivi d'un refroidissement en vue d'une trempe. Les zones trempées (19) de la platine (16) sont colorées en gris foncé. Là o se trouvaient les corps solides (3, 3a, 3b, 15, 15a, 15b, 15c, 17, 17a), il reste dans la platine des zones non-trempées (20, 20a, 20b, 21, 21a, 21b, 21c, 22, o 22a) avec une ductilité plus élevée. Les zones de ductilité plus élevée relativement petites (20, 20a, 20b, 21, 21a, 21b, 21c) au centre et à chaque extrémité de la platine conviennent en particulier pour un finissage tel qu'une perforation ou un poinçonnage. Les zones de ductilité plus élevée de surface plus importante (22, 22a) dans la zone latérale de la platine (16) peuvent, par exemple pour des raisons constructives, demeurer dans l'élément, par exemple pour absorber l'énergie de déformation en cas de collision. Avec le procédé conforme à l'invention, il est par conséquent possible de fabriquer de façon simple, rapide et fiable un élément métallique présentant des zones de ductilités diflérentes, le procédé pouvant être intégré facilement dans un processus de formage à chaud déjà existant. Liste des références: 1 platine 2, 2a électrodes 3, 3a-b corps solides conducteurs d'électricité 4 zone chauffée , 5a circuit électrique 6 zone en dessous de la température d'austénitisation 7 flux électrique 8 platine 9, 9a-c électrodes circuit électrique 11 circuit électrique 12 zone chauffée 13, 13a-b buses 14 zone en dessous de la temperature d'austénitisation , 1 5a-c corps solides mauvais conducteurs d'électricité 1 6 platine 17, 17a corps solides mauvais conducteurs d'électricité 1 8 électrode 19 zone trempée , 20a-b zones non trempées 21, 21a-c zones non trempées to 22, 22a zones non trempées Revendications 1. Procédé de fabrication d'un élément métallique (1, 8) par chauffage suivi d'une s trempe par refroidissement rapide, dans lequel des zones de l'élément métallique (1, 8) restent non trempées, caractérisé en ce que l'élément métallique (1, 8) est chauffé au moyen d'un chauffage par conduction électrique et seules certaines zones (12) de l'élément métallique sont chauffées à une température supérieure à la température d'austénitisation durant ou avant le chauffage par conduction électrique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que durant le chauffage par conduction électrique certaines zones (6, 14) de l'élément métallique (1, 8) sont refroidies et / ou court-circuitées électriquement et / ou thermiquement de façon ciblée afin de maintenir la température de ces zones (6, 14) en dessous de ia température d'austénitisation. 3. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que pour le refroidissement ciblé, on applique localement sur l'élément métallique (1, 8) des corps réfrigérants (15, 1 5a), des liquides réfrigérants ou des gaz réfrigérants. o 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que des électrodes d'un arrangement de contact par électrodes (9, 9a, 9b, 9c) peuvent être raccordées afin de court circuiter électriquement certaines zones. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour la mise en court- circuit de certaines zones, on applique à l'élément métallique (1) au moins un corps solide (3, 3a, 3b) distinct des électrodes (2, 2a) et dont la conductivité électrique est supérieure à celle de l'élément métallique 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les liquides réfrigérants o et / ou les gaz réfrigérants sont appliqués accélérés par des buses (13, 13a, 13b) sur des zones définies (14) de l'élément métallique (8). 7. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que comme corps réfrigérants on applique des corps solides (15, 15a) mauvais conducteurs de l'électricité sur des zones définies (6) de l'élément métallique (1). 8. PFocAdA salon [une des vendlcabons prAcAdentes, carectArlsA en ce qua la tramps est [6aMse dans un oubl de Rage chaud. g. PFocAdA Solon l'une des vendlostons prAcAdentes, caractArlsA en ce que as zones non bempbes (6, 14) de [moment Montague (1, 8) sont soumises une Atape de