Brevet FR2837216A1 — publié le 20030919

DESCRIPTION L'invention concerne un procédé de fabrication d'un élément moulé par formage à froid, avec un recuit de l'élément moulé mise en forme destiné à recristalliser la structure pour en abaisser la résistance à la déformation en vue d'un procédé de formage supplémentaire suivi d'un refroidissement. Les éléments métalliques tels que les tôles ou les éléments préformés constitués d'aciers non alliés ou alliés à basse teneur, d'aciers spéciaux alliés ou superalliés tels que les aciers austénitiques, ferritiques ou duplex, ou de métaux légers, ont généralement de bonnes capacités de déformation si bien que l'on peut utiliser pour former ces métaux tous les processus de formage à froid courants, consistant par exemple à courber, comprimer, évaser ou former par hypercompression intérieure. Etant donné qu'un métal, lorsqu'il est déformé plastiquement au-dessus de la limite apparente d'élasticité, durcit dans les zones mises en forme, le formage à froid va de pair avec un durcissement du matériau par déformation, ce qui accroît la dureté, la limite d'allongement et la résistance à la traction du matériau tout en réduisant son allongement à la rupture et sa résilience. Le durcissement par déformation a certes un effet positif, puisque l'augmentation de la dureté du matériau qu'il entraîne augmente également la durée de vie sous charge dynamique. Mais il est également problématique lorsque l'élément moulé est formé en plusieurs étapes et que, en raison de l'allongement résiduel restant, la résistance à la déformation dans la zone durcie par déformation est tellement grande qu'une déformation plastique supplémentaire risquerait, le cas échéant, de provoquer une rupture du matériau dans cette zone. Pour pouvoir malgré tout déformer la zone durcie par déformation, il est nécessaire de procéder à une recristallisation de cette zone allant vers la structure initiale du matériau avant le durcissement par déformation afin de rétablir la capacité de déformation initiale et la ductilité correspondante du matériau. Une transformation structurelle complète ou partielle peut être obtenue par un procédé de recuit approprié et une température adaptée au matériau, pouvant également être déterminée par le degré de déformation. L'élément moulé est chauffé à une température de transformation, telle que la température d'austénitisation ou la température de recristallisation, et refroidi après la transformation structurelle afin que la structure initiale se rétablisse au moins partiellement. Selon ce principe, un élément moulé constitué d'aciers appropriés peut, par exemple, être chauffé à une température d'austénitisation, puis être progressivement refroidi après la transformation de la structure en austénite de manière à ce que l'austénite se transforme en une structure mixte de ferrite/perlite. La recristallisation ainsi obtenue permet d'abaisser la résistance à la déformation en vue d'un procédé de formage ultérieur. Conformément à l'état de la technique, le traitement thermique est effectué dans un four de recuit continu, avec une conduite de la température adaptée au matériau, l'intégralité de l'élément étant, lors de ce processus, progressivement chauffée à la température de transformation, puis maintenue jusqu'à ce que la transformation soit suffisante. L'élément est ensuite refroidi lentement afin que la structure initiale qui présente une résistance à la déformation plus faible se rétablisse au moins partiellement. Pour cela, l'élément est toujours recuit dans le four dans son intégralité, si bien que l'effet de durcissement par déformation tout à fait souhaité dans certaines parties est annulé par la recristallisation dans toutes les zones. Par conséquent, le potentiel du matériau n'est pas entièrement exploité dans les zones n'étant pas soumises à d'autres étapes de formage. À cela s'ajoute que l'espace et le temps requis sont considérables, ce genre de four de recuit continu pouvant atteindre une longueur de 30 mètres et une durée de processus de 90 minutes. Dans la production de masse, ce processus de recuit entraîne, de plus, une interruption supplémentaire de la chaîne de fabrication, puisqu'il exige un transport entre l'outil de formage et le four, donc bien souvent l'intervention de prestataires de service externes, une manutention supplémentaire et des moyens logistiques correspondants, les frais qui en résultent étant considérables. Le document DE 31 27 327 A1 décrit un procédé de fabrication de chicanes en alliages métalliques, qui consiste à déformer un segment de tube par laminage, à le chauffer à une température supérieure à la température de recristallisation et à le refroidir, puis à le déformer localement dans le sens transversal et à le comprimer dans le sens axial. Le segment de tube est chauffé à l'aide de courant électrique. Avec cette technique, l'élément est cependant à nouveau chauffé dans son intégralité si bien que l'effet du durcissement par déformation est annulé sur l'ensemble de l'élément. L'objectif de cette invention est donc de développer un procédé selon le préambule qui soit simple, fiable au niveau du processus et s'intégrant, à faibles coûts, à un processus de fabrication de masse existant. Cet objectif est atteint par le procédé conforme à l'Invention selon lequel seul est réalisé un recuit partiel des zones qui sont soumises ensuite à un procédé de formage supplémentaire. Cette technique permet d'annuler ou du moins de réduire le durcissement par déformation en effectuant une recristallisation de la structure ramenant à la structure initiale du matériau dans les zones recuites avant l'étape de formage à froid qui suit. Comme l'élément moulé n'est pas chauffé dans son intégralité à la température de transformation, cela permet de faire des économies d'énergie et de temps. Dans un mode de réalisation privilégié du procédé, outre des zones recuites et ayant subi d'autres étapes de formage, des zones écrouies lors de la première étape de formage sont conservées dans l'élément moulé, si bien que ces zones écrouies conservent les avantages du durcissement par déformation, tels qu'une durée de vie sous charge dynamique accrue en raison d'une dureté du matériau plus élevée. En conservant ces améliorations obtenues localement au niveau de la dureté de l'élément, il est possible de mieux exploiter le potentiel du matériau. Le recuit partiel est, de préférence, exécuté au moyen d'un chauffage par induction. Cela permet de recuire de manière ciblée les zones présentant déjà un durcissement par déformation et susceptibles de subir un formage supplémentaire. De plus, le chauffage par induction s'effectue en quelques secondes avec des installations compactes, permettant ainsi l'utilisation d'une chaîne de processus de formage/recuit fermée. Comme le four de recuit continu peut être supprimé, le transport vers le four, voire vers des prestataires de service externes, disparaît permettant d'économiser les moyens logistiques et les pertes de temps qui en découlent. Conformément à un mode d'exécution particulier du procédé selon l'invention, il est possible de déplacer l'un par rapport à l'autre notamment l'élément moulé et un dispositif de chauffage par induction pour réaliser un chauffage par induction partiel. L'élément moulé peut par exemple être saisi à un endroit déterminé par un robot et être guidé à travers une bobine d'induction stationnaire. De même, la bobine commandée par robot peut balayer le contour de la zone à recuire de l'élément moulé. Selon l'élément moulé, il est aussi possible de mettre en oeuvre d'autres éléments de contrôle, tels qu'une commande linéaire, avec laquelle la bobine balaye l'élément et, inversement, l'élément balaye la bobine le long d'une trajectoire linéaire déterminée. Les tolérances d'élément et les modifications de la géométrie et de l'épaisseur de paroi de l'élément moulé peuvent être compensées par un dispositif d'adaptation de puissance thermostatique et/ou par un positionnement adéquat de la bobine d'induction et de l'élément. Le chauffage par induction partiel peut être réalisé en l'ajustant aux contours de l'élément moulé. Ceci peut être réalisé en plus ou comme alternative par un mouvement relatif. Outre un mouvement relatif, la bobine peut, par exemple, balayer l'élément ou, inversement, l'élément balayer la bobine sur une trajectoire retraçant la géométrie de l'élément, la bobine ou l'élément pouvant de surcroît opérer un mouvement d'avance en direction de l'élément, respectivement de la bobine. Comme alternative à un mouvement relatif, il est possible par exemple d'utiliser un inducteur de moule ajusté aux contours de la zone à recuire. Dans ce cas, l'élément peut par exemple être placé dans un inducteur de moule afin que la zone souhaitée y soit chauffée de façon régulière à la température de transformation, sans apport d'un mouvement relatif supplémentaire. Pour obtenir un chauffage régulier, il est particulièrement intéressant que le dispositif de chauffage par induction et l'élément moulé soient déplacés l'un par rapport à l'autre avec des mouvements de va-et-vient circulaires ou oscillants. Le refroidissement est effectué, de préférence, au moyen d'air au repos ou d'un léger flux d'air. Les aciers non alliés ou alliés à basse teneur ainsi que certains aciers spéciaux sont par exemple refroidis après le recuit à l'air au repos ou en flux léger pour obtenir la structure souhaitée avec une résistance à la déformation plus faible, ainsi que la grosseur de grain correspondante. Un autre mode d'exécution consiste à refroidir à l'eau au moyen d'un dispositif d'arrosage circulaire, disposé à la sortie du dispositif de chauffage par induction. Ce type de refroidissement immédiat sert, par exemple dans le cas des aciers spéciaux austénitiques contenant du chrome, à contrecarrer une perte en surface de la teneur en chrome résistant à la corrosion et responsable de la résistance à la corrosion, ainsi que la formation de carbure de chrome. Afin d'éviter une oxydation de la surface et la formation de pellicules d'oxyde dans la zone chauffée, il est possible d'exécuter le recuit sous atmosphère contrôlée. L'un des modes d'exécution privilégiés du procédé conforme à l'invention consiste, pour la fabrication d'un conduit d'échappement pour la construction automobile, à former des chicanes au centre d'un tube et les coudes qui y sont adjacents au cours d'un premier formage à froid, puis à recuire partiellement uniquement ces coudes qui sont ensuite évasés par un formage par hypercompression intérieure au cours du procédé de formage qui suit. Le procédé conforme à l'invention est utilisable pour d'autres applications, par exemple pour la fabrication d'éléments de conduit soumis à plusieurs étapes de moulage hydraulique, au cours desquelles des durcissements locaux sont souhaités, ainsi que d'éléments de conduit préformés, pour lesquels un durcissement dans la première zone de déformation est nécessaire pour augmenter leur durée de vie. Le procédé conforme à l'invention est décrit ci-dessous plus en détail à l'aide de différents exemples d'exécution illustrés aux figures suivantes : Figure 1 : vue de dessus d'un tube droit (1) ; Figure 2 : le tube de la figure 1 après une première étape de formage ; Figure 3 : le tube de la figure 2 après l'évasement de la zone déformée ; Figure 4 : une vue de dessus d'un conduit d'échappement droit ; Figure 5 : le conduit d'échappement de la figure 4 après le formage de chicanes au centre ; Figure 6 : le conduit d'échappement de la figure 5 après le formage de coudes à gauche et à droite des chicanes ; Figure 7 : le conduit d'échappement de la fig. 6 après l'évasement des coudes dans la zone préalablement déformée ; Figure 8 : représentation schématique d'un robot guidant le tube de la figure 2 à travers une bobine d'induction suivie d'un dispositif d'arrosage circulaire. La figure 1 montre un tube (1) vu de dessus, n'ayant pas encore été formé. Sur la figure 2, le tube droit (1) a été coudé en son centre par formage à froid. Sous l'effet de cette action, le matériau du tube (1) s'est durci par déformation dans la zone déformée (a). En raison de l'accroissement de la résistance à la déformation produit par le formage à froid, un formage à froid supplémentaire dans la zone coudée (a) ayant déjà subi une déformation risque, le cas échéant, de provoquer une rupture du tube (1) dans la zone déjà déformée (a). Au moyen du procédé conforme à l'invention, le tube (1) est recuit partiellement dans la zone coudée (a) destinée à subir une autre étape de formage. Grâce au dispositif de chauffage par induction, le recuit s'accomplit en quelques secondes et avec précision dans la zone coudée. Les extrémités du tube n'ayant pas été déformées ne sont pas chauffées à la température de transformation, ce qui permet de réaliser des économies de temps et d'énergie. Le tube (1) est ensuite refroidi de façon à ce qu'une recristallisation souhaitée dans la zone coudée (a) s'opère pour revenir à la structure initiale et à ce que la résistance à la déformation diminue. Sur la figure 3, la zone coudée (a) du tube (1) est ensuite évasée par formage par hypercompression intérieure, ce qui a provoqué un nouveau durcissement par déformation de cette zone (a). Aux extrémités du tube, la structure du matériau se trouve encore à l'état initial, sans durcissement par déformation, puisque les extrémités n'ont pas subi de procédé de formage. La figure 4 montre une vue de dessus d'un conduit d'échappement droit (2) constitué par exemple d'un acier spécial austénitique, dont le nom de matériau est X15CrNiSi 20-12. Sur la figure 5, la partie centrale de ce conduit d'échappement droit (2) a été transformée en chicanes (3) par formage par hypercompression intérieure. Sous l'effet de cette action, le matériau du conduit d'échappement (2) s'est durci par déformation dans la zone des chicanes (3). Ce durcissement par déformation des chicanes (3) qui augmente leur durée de vie est donc souhaité et il doit être conservé lors d'une étape de formage ultérieure du conduit d'échappement (2). Sur la figure 6, le conduit d'échappement (2) a été coudé (4,5) par courbure à gauche et à droite des chicanes (3), ce qui a permis de durcir par déformation les deux zones courbées (b, c) des coudes (4,5) du conduit d'échappement (2) par le formage à froid. Les chicanes (3) n'ont pas été touchées par ce durcissement par déformation. Un formage supplémentaire des coudes (4,5) n'est pas possible sans risque de fissuration ou de rupture des zones déjà coudées (b, c) du conduit d'échappement (2) en raison du durcissement par déformation ayant eu lieu dans ces zones (b, c). Il est donc préférable de recuire partiellement par induction le conduit d'échappement (2) dans les zones courbées (b, c) des coudes (4,5). Lors de ce recuit, le conduit d'échappement (2), constitué du matériau X15CrNiSi 20-12, est chauffé dans les zones coudées (b, c) à une température située entre 1 050 et 1 100 C, ce qui permet d'obtenir une transformation structurelle du matériau dans ces zones (b, c) et de rétablir, au cours de l'étape de refroidissement qui suit, la structure initiale du matériau avant le durcissement par déformation, cette structure étant caractérisée par une résistance à la déformation plus faible. Le durcissement par déformation est ainsi annulé dans les zones coudées (b, c). Dans les chicanes (3) qui n'ont pas été exposées au recuit grâce aux moyens de commande précis disponibles sur le dispositif de chauffage par induction, le durcissement par déformation souhaité reste intact malgré le processus de recuit, grâce à l'application du procédé conforme à l'invention. Sur la figure 7, les coudes (4,5) du conduit d'échappement (2) ont été évasés par formage par hypercompression intérieure dans les zones (b, c) ayant déjà été déformées et recuites, ce qui a provoqué un nouveau durcissement par déformation de la structure du matériau dans les zones évasées (b, c). Sur ce conduit d'échappement (2), les coudes évasés (4,5) aussi bien que les chicanes (3) ont été durcis par déformation ce qui augmente la durée de vie du conduit d'échappement (2). Dans le cas des chicanes (3) particulièrement, qui auraient été recuites et donc été plus ductiles lors d'une fabrication du conduit d'échappement (2) par un procédé habituel, cette augmentation de la durée de vie par un durcissement par déformation n'est réalisable qu'avec le procédé de recuit partiel conforme à l'invention. La figure 8 montre de manière schématique le robot (6) ayant saisi le tube (1) de la figure 2 après le formage de la courbure au centre du tube (1) et guidant, par un mouvement descendant, la zone durcie par déformation (a) de la courbure à travers un dispositif de chauffage par induction (7), respectivement une bobine d'induction stationnaire pour le recuit. La zone courbée (a) est ainsi recuite par induction de façon précise. Pour un refroidissement à eau, la bobine d'induction (7) est suivie d'un dispositif d'arrosage circulaire (8). Ce dispositif sert, par exemple pour les aciers spéciaux austénitiques contenant du chrome, à contrecarrer une perte en surface de la teneur de chrome résistant à la corrosion et responsable de la résistance à la corrosion, ainsi que la formation de carbure de chrome. Pour des aciers appropriés, qui ne durcissent pas lors d'un refroidissement immédiat, il est ainsi également possible d'accélérer le processus de refroidissement. Liste des références 1 = tube 2 = conduit d'échappement 3 = chicanes 4 = coude 5 = coude 6 = robot 7 = bobine d'induction 8 = dispositif d'arrosage circulaire a = zone recuite b = zone recuite c = zone recuite Revendications 1. Procédé de fabrication d'un élément moulé (1,2) par formage à froid, avec un recuit de l'élément moulé mis en forme (1, 2) destiné à recristalliser la structure pour abaisser la résistance à la déformation en vue d'un procédé de formage supplémentaire suivi d'un refroidissement, caractérisé en ce que seul est réalisé un recuit partiel des zones (a, b, c) qui sont soumises ensuite à un procédé de formage supplémentaire. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'outre des zones (a, b, c) recuites et ayant subi d'autres étapes de formage, des zones (3) écrouies lors de la première étape de formage sont conservées dans l'élément moulé (1,2). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le recuit partiel est réalisé au moyen d'un chauffage par induction. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément moulé (1,2) et un dispositif de chauffage par induction (7) sont déplacés l'un par rapport à l'autre pour réaliser un chauffage par induction partiel. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le chauffage par induction partiel est réalisé en l'ajustant aux contours de l'élément moulé (1,2). 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage par induction (7) et l'élément moulé (1,2) sont déplacés l'un par rapport à l'autre avec des mouvements de va-et-vient circulaires ou oscillants. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le refroidissement est réalisé au moyen d'air au repos ou d'un léger flux d'air. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le refroidissement est réalisé au moyen d'un dispositif d'arrosage circulaire (8) destiné au refroidissement à eau et disposé à la sortie du dispositif de chauffage par induction (7). 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le recuit est réalisé sous atmosphère contrôlée. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour la fabrication d'un conduit d'échappement (2) pour la construction automobile, des chicanes centrales (3) ainsi que des coudes (4,5) adjacents aux chicanes (3) sont formés lors d'un premier formage à froid d'un tube (2), puis seuls ces coudes (4,5) sont partiellement recuits et ces coudes (4,5) sont ensuite évasés lors d'une étape de formage subséquente. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les coudes (4,5) sont évasés par un formage par hypercompression intérieure.