Brevet FR2916371A1 — publié le 20081128

Procédé de préparation de pièces forgées ayant une résistance à la traction et un allongement excellents à partir de fils machine en acier La présente invention concerne un procédé de préparation de pièces forgées à partir de fils machine en acier, et plus particulièrement un procédé de production de pièces forgées à partir de fils machine en acier dans lequel les pièces forgées ont une résistance à la traction allant jusqu'à 160 kgf/mm2 et un allongement allant jusqu'à 16 à 21%. La norme CNS3934 des normes nationales chinoises (CNS) spécifie les propriétés standard que devraient présenter les pièces forgées. La valeur la plus élevée de résistance à la traction pour les vis fortes est de 140 kgf/mm2. Cependant, à cause des limitations rencontrées lors de l'utilisation de matériaux anciens et de procédés de fabrication anciens, il est difficile de produire de telles vis. Par conséquent, de nombreux fabricants ne produisent pas de vis ayant la valeur la plus élevée de résistance à la traction. Eu égard à la norme susmentionnée concernant les vis fortes, un procédé de production de vis ayant la plus haute résistance à la traction a été développé par le demandeur, et il est décrit dans le brevet taiwanais n I254656 intitulé Procédé de production de pièces forgées ayant une résistance à la traction allant jusqu'à 140 kgf/mm2 . Comme illustré sur les figures 1 et 2, les étapes impliquées dans le procédé de production de pièces forgées tel qu'il est décrit dans le brevet taiwanais n I254656 sont résumées comme suit . (a) soumettre n'importe quel fil machine en acier allié 1 à un procédé de recuit de sphéroïdisation ; (b) prélever et revêtir le fil machine 1 ; (c) soumettre le fil machine 1 à un étirage intermédiaire ; (d) soumettre le fil machine 1 à un procédé de recuit d'adoucissement ( softening annealing ) ; (e) prélever et revêtir le fil machine 1 une seconde fois ; (f) soumettre le fil machine 1 à un écrouissage superficiel par étirage ( skin-pass drawing ) ; (g) forger par estampage ( stamp-forging ) et fileter par roulage le fil machine 1 pour former des pièces forgées 2 (une seule est illustrée sur la figure 1), telles que des vis ; (h) laver les pièces forgées 2 ; (i) chauffer les pièces forgées 2 jusqu'à une 20 plage de températures de 830 à 900 C pendant 50 à 90 minutes ; et (j) faire subir une trempe étagée bainitique aux pièces forgées 2 à une plage de températures de 300 à 400 C pendant 30 à 60 minutes. 25 Après avoir subi le procédé de chauffage lors de l'étape (i), la structure des pièces forgées 2 change d'une structure perlitique à une structure austénitique, et après avoir subi le procédé de trempe étagée bainitique, la structure des pièces forgées 2 change de 30 la structure austénitique à une structure aciculaire de bainite inférieure qui a des propriétés mécaniques favorables, à savoir une résistance et une ténacité satisfaisantes. Les pièces forgées 2 produites par le procédé de fabrication susmentionné ont une résistance à la traction allant jusqu'à 140 kgf/mm2, et un pourcentage d'allongement allant jusqu'à 9% à 14%, ce qui est conforme aux recommandations de la norme CNS3934 pour les vis fortes. Cependant, comme les pièces forgées 2 ont des dimensions différentes, c'est-à-dire qu'elles ont un diamètre supérieur à 24 mm, au cours du procédé de chauffage, les pièces forgées de grande dimension 2 produisent facilement un effet de masse , c'est-à-dire un phénomène dans lequel les effets de durcissement des parties interne et externe de l'acier diffèrent au cours du refroidissement, de la trempe. Par conséquent, plus les dimensions sont grandes, plus il est difficile que la chaleur se diffuse uniformément depuis les parties internes vers les parties externes de l'acier. Ainsi, au cours du procédé de trempe étagée bainitique, bien que les pièces forgées plus grandes 2 aient des parties externes qui passent facilement à la structure de bainite inférieure, les parties centrales de celles-ci ont toujours les structures de la ferrite plus de la perlite moyenne ( medium pearlite ). Il est donc difficile que les pièces forgées 2 de grandes dimensions atteignent la résistance à la traction de 140 kgf/mm2, de telle sorte que les produits qui en résultent ont une dureté et des propriétés mécaniques insuffisantes. Par conséquent, l'objet de la présente invention est de fournir un procédé de production de pièces forgées ayant une résistance à la traction allant jusqu'à 160 kgf/mm2 et un allongement allant jusqu'à 16 à 21%, et ayant également un degré élevé de ténacité et de dureté. Selon la présente invention, un procédé de préparation de pièces forgées ayant une grande résistance à la traction et un bon allongement comprend les étapes consistant à : (a) former des pièces forgées à partir d'un fil machine en acier ; (b) chauffer les pièces forgées jusqu'à une plage de températures de 830 à 900 C ; (c) soumettre les pièces forgées à un premier revenu à une plage de températures de 100 à 300 C après le chauffage à de 830 à 900 C ; et (d) soumettre les pièces forgées à un second revenu à une plage de températures de 300 à 400 C après le premier revenu. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après du mode de réalisation préféré faite en référence aux dessins joints, dans lesquels : la figure 1 est un schéma de procédé illustrant les étapes impliquées dans un procédé de production de pièces forgées décrit dans le brevet taiwanais n I254656 ; la figure 2 est un graphique illustrant les changements de température au fil du temps au cours du procédé de fabrication de la figure 1 ; la figure 3 est un schéma de procédé illustrant les étapes impliquées dans un procédé de production de pièces forgées selon le mode de réalisation préférée de la présente invention ; et la figure 4 est un graphique illustrant les changements de température au fil du temps au cours du procédé de fabrication du mode de réalisation préféré. La figure 3 illustre les étapes impliquées dans un procédé de production de pièces forgées 4 ayant une résistance à la traction allant jusqu'à 160 kgf/mm2 et un allongement allant jusqu'à 16 à 21% selon le mode de réalisation préféré de la présente invention. Ces étapes vont être décrites de manière plus détaillée ci- après. Dans l'étape (a) un fil machine en acier allié 3 est soumis à un premier procédé de recuit de sphéroïdisation à une plage de températures de 680 à 700 C, qui est inférieure à la température de transformation de phase du fil machine en acier allié 3. Le fil machine 3 est fait d'un matériau pour fil trempé choisi dans le groupe constitué de l'acier au nickelchrome-molybdène tel que le SNCM439, et de l'acier au chrome molybdène, tel que le SCM445H (SAE4145H), SCM445, SCM440 ou SCM440H. Dans ce mode de réalisation, le fil machine 3 est fait de SNCM439 (JIS G4103 ; acier au nickel-chrome-molybdène correspondant aux normes AISI 4340, SAE 4340) avec une composition chimique de 0,36 à 0,43% de C ; 0,15 à 0,35% de Si ; 0,60 à 0,90% de Mn ; 1,60 à 2,00% de Ni ; 0,60 à 1,00% de Cr ; et 0,15 à 0,30% de Mo. Ce matériau est conforme à la réglementation d'essai de matériaux de la norme CNS3935, et il peut donc atteindre la dureté requise. Dans l'étape (b), le fil machine 3 subit le procédé de prélèvement et de revêtement d'une manière classique. Dans l'étape (c), le fil machine 3 est soumis à un 5 étirage intermédiaire selon un rapport d'étirage dans la plage de 20 à 30%. Dans l'étape (d), le fil machine 3 est soumis à un second procédé de recuit de sphéroïdisation à une plage de températures de 600 à 650 C. 10 Dans l'étape (e), le fil machine 3 subit le procédé de prélèvement et de revêtement une seconde fois après l'étape (d). Dans l'étape (f), le fil machine 3 est soumis à un écrouissage superficiel par étirage à un rapport 15 d'étirage inférieur à 5%. Dans la présente invention, le fil machine 3 subit à deux reprises le procédé de recuit de sphéroïdisation et également à deux reprises le procédé d'étirage, de sorte que la substance carburée de l'acier devient 20 ronde et petite pour accroître sa douceur ( softness ) et son allongement, facilitant ainsi un procédé subséquent de forgeage par estampage. Du fait des conditions différentes du matériau du fil machine 3 en termes de composition, d'épaisseur, etc. au cours des 25 procédés de recuit et d'étirage, les étapes du procédé ou la température peuvent être accrues ou diminuées si besoin. Le but du procédé susmentionné de recuit de sphéroïdisation est de sphéroïdiser la structure 30 stratifiée ou maillée de la substance carburée dans l'acier de manière à améliorer les propriétés mécaniques de l'acier. Le but du procédé d'étirage, quant à lui, est de réduire le diamètre du fil machine 3. Lors du procédé d'étirage, la structure perlitique stratifiée et la structure ferritique parallèles à la cémentite sont déplacées et déformées, et des microfissures surviennent le long des surfaces fendues du corps de cémentite, entraînant ainsi une sphéroïdisation. Dans l'étape (g), après avoir été soumis à l'écrouissage superficiel par étirage, le fil machine 3 est envoyé dans une machine à forger, et il est forgé par estampage pour former des pièces forgées ayant un profil externe préétabli. Les pièces forgées sont ensuite envoyées dans une machine à rouler les filets pour fileter la surface de celles-ci afin de former des pièces forgées filetées 4 (dont seulement une est illustrée sur la figure 3, ci-après simplement dénommées pièces forgées ), telles que des vis. Dans l'étape (h), les pièces forgées 4 sont lavées en utilisant initialement de l'eau chaude pour retirer les tâches huileuses, puis en utilisant de l'eau froide pour exécuter un rinçage final des pièces forgées 4. Avant de réaliser l'étape (i), les pièces forgées 4 sont préchauffées dans un four à une plage de températures de 550 à 650 C pendant 30 à 90 minutes. Dans le présent mode de réalisation, le procédé de préchauffage est exécuté dans un four qui est progressivement chauffé à environ 600 C pendant 60 minutes. Le procédé de préchauffage peut être exécuté ou pas selon l'équipement utilisé. Par exemple, si un four ordinaire à température fixe est utilisé comme équipement de chauffage, le procédé de préchauffage devrait être exécuté. En revanche, si un équipement de chauffage du type continu à température réglable est utilisé, le procédé de préchauffage peut être omis. Dans l'étape (i), les pièces forgées 4 sont chauffées dans un four à une plage de températures de 830 à 900 C pendant 30 à 120 minutes. La température dans le four peut être progressivement augmentée, diminuée ou maintenue constante. Par exemple, le four peut être progressivement chauffé jusqu'à six niveaux de température différents, tels que 860 C, 880 C, 880 C, 880 C, 880 C et 870 C. Le chauffage dure 35 minutes de façon à chauffer les pièces forgées jusqu'à une température de stabilisation de l'austénite jusqu'à ce que les pièces forgées4 soient entièrement transformées en la structure austénitique. Ceci est dénommé un traitement d' austénitisation. Dans l'étape (j), les pièces forgées chauffées 4 sont soumises à un premier procédé de revenu de manière à réduire la température des pièces forgées 4 jusqu'à une plage de températures de 100 à 300 C pendant 60 à 130 minutes. Lors de cette étape, les pièces forgées chauffées 4 sont trempées dans un bain de sel qui a une plage de températures de 100 à 300 C. La température du bain de sel est maintenue sensiblement constante pendant 120 minutes. Ainsi, la structure des pièces forgées 4 est transformée de la structure austénitique en une structure quadratique centrée (BCT) de la martensite en plus de la structure de la bainite inférieure. Avant l'achèvement de la transformation en martensite, l'étape suivante du procédé (étape k) est exécutée. Un sel à température isotherme (sel de trempe étagée mixte semi-martensitique ( marquench , MQ) qui appartient au bain de sel neutre est utilisé dans le présent mode de réalisation. Dans l'étape (k), les pièces forgées 4 sont soumises à un second procédé de revenu à une plage de températures de 300 à 400 C pendant 30 à 150 minutes. Les pièces forgées 4 sont trempées dans un bain de sel qui a une température dans la plage de 300 à 400 C et qui est maintenue sensiblement constante pendant 150 minutes, de manière à transformer la structure des pièces forgées 4. Suite à cela, les pièces forgées 4 sont refroidies jusqu'à la température ambiante. Lors du procédé au bain de sel, la structure des pièces forgées 4 est transformée en une structure aciculaire de bainite inférieure, qui est une structure non stratifiée de ferrite et de cémentite fine, et des parties proches de la partie centrale des pièces forgées 4 et la martensite initialement transformée sont soumises à l'effet de revenu. Le rapport entre le temps et la température impliqués dans les étapes de traitement des pièces forgées 4 est illustré sur la figure 4. La tension de trempe est ainsi éliminée et la martensite revenue qui est un mélange de ferrite et de cémentite fine, est obtenue. Ainsi, après le second procédé de revenu, la structure des pièces forgées 4 devient une structure mixte de bainite inférieure et de martensite revenue. La structure mixte a les propriétés mécaniques de résistance élevée et de bonne ténacité. Des essais ont été exécutés en utilisant un matériau de fil trempé en acier Ni-Cr-Mo SNCM439 pour produire les pièces forgées 4 ayant la spécification M36. Quelques échantillons des pièces forgées 4 ont été soumis aux étapes susmentionnées de procédé de chauffage. Suite à des essais et mesures réels, la dureté des pièces forgées 4 s'est avérée aller de 50 à 51HRC, l'allongement de 16 à 18%, et la résistance à la traction de 160 à 170 kgf/mm2. Ainsi, il a été confirmé que les pièces forgées 4 ont de bonnes propriétés mécaniques. A partir de la description ci-dessus, les avantages de la présente invention peuvent être résumés comme suit : Du fait du premier procédé de revenu, la structure des pièces forgées 4 est directement transformée en les structures de bainite inférieure et martensite. Après ce second procédé de revenu, la structure des pièces forgées 4 est transformée en une structure mixte de bainite inférieure et de martensite revenue. Les propriétés mécaniques telles que la ténacité, l'allongement, la résistance à la traction, etc., de la bainite inférieure sont exceptionnellement bonnes. D'autre part, la structure de la martensite revenue peut améliorer la résistance et la dureté, de sorte que les pièces forgées 4 présentent une ténacité et une dureté excellentes. Ainsi, des pièces forgées de grandes dimensions peuvent être produites de manière adaptée avec de bonnes propriétés mécaniques.30 REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de pièces forgées (4) ayant une résistance à la traction et un allongement élevés, caractérisé par les étapes consistant à : (a) former des pièces forgées (4) à partir d'un fil machine en acier (3) ; (b) chauffer les pièces forgées (4) jusqu'à une plage de températures de 830 à 900 C ; (c) soumettre les pièces forgées (4) à un premier revenu à une plage de températures de 100 à 300 C après le chauffage à de 830 à 900 C ; et (d) soumettre les pièces forgées (4) à un second revenu à une plage de températures de 300 à 400 C après 15 le premier revenu. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces forgées (4) sont trempées dans un bain de sel ayant une température dans la plage de 100 20 à 300 C au cours du premier revenu, et elles sont revenues pendant 60 à 130 minutes. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les pièces forgées (4) sont trempées dans un 25 bain de sel ayant une température dans la plage de 300 à 400 C au cours du second revenu, et elles sont revenues pendant 30 à 150 minutes. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé 30 en ce que les pièces forgées (4) sont chauffées jusqu'à 830 à 900 C pendant 30 à 120 minutes. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre par une étape de préchauffage des pièces forgées (4) à une plage de températures de 550 à 650 C pendant 30 à 90 minutes avant que les pièces forgées (4) soient chauffées jusqu'à 830 à 900 C. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil machine en acier (3) est fait d'un matériau pour fil trempé choisi dans le groupe constitué de l'acier au nickel-chrome-molybdène et de l'acier au chrome-molybdène. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce que les pièces forgées (4) sont formées à l'étape (a) en utilisant les étapes consistant à : soumettre le fil machine en acier (3) à un premier recuit de sphéroïdisation ; prélever et revêtir le fil machine en acier (3) 20 après le premier recuit de sphéroïdisation ; soumettre le fil machine en acier (3) à un étirage intermédiaire après le prélèvement et le revêtement du fil machine en acier (3) ; soumettre le fil machine en acier (3) à un second 25 recuit de sphéroïdisation après l'étirage intermédiaire ; prélever et revêtir le fil machine en acier (3) une seconde fois ; soumettre le fil machine en acier (3) à un 30 écrouissage superficiel par étirage après le second prélèvement et revêtement du fil machine en acier (3) ;forger par estampage et fileter par roulage le fil machine en acier (3), formant ainsi les pièces forgées (4).