Brevet FR2939148A1 — publié le 20100604

Procédé de fabrication d'un composant de châssis avec une résistance d'endurance accrue et composant de châssis La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un composant de châssis avec une limite d'endurance accrue ainsi qu'un composant de châssis fabriqué selon ce procédé. 10 Lors de la fabrication de composants de châssis, comme par exemple des profils de torsion pour les châssis de camions, des exigences particulières doivent être posées d'une part sur les particularités mécaniques du produit fini, y compris sur la limite d'endurance du produit fini, et d'autre part sur l'optimisation du processus de fabrication et de son coût. 15 Afin d'obtenir la résistance cyclique nécessaire aux composants de châssis, des procédés mécaniques de consolidation de la surface conformes à l'état de la technique sont en particulier utilisés. Un tel procédé est par exemple décrit dans le DE 10 2004 018 586 Al. Ici, la surface d'une pièce est consolidée par irradiation avec un jet de 20 produit. L'inconvénient d'un tel procédé réside dans le fait que la consolidation ne se fait qu'à la surface de la pièce et que la couche consolidée ne présente qu'une épaisseur moindre. Par ailleurs, la consolidation de surfaces qui, avec des pièces de formes 25 complexes, sont situées sur la face interne, est très difficile voire impossible à réaliser avec ce procédé. Une irradiation trop intensive peut de plus endommager les surfaces, ce qui engendre des problèmes relatifs à la résistance aux oscillations. Par ailleurs, un traitement par irradiation est difficilement concevable avec des épaisseurs de parois plus petites. 30 Par ailleurs, l'utilisation de l'acier trempant ainsi que le réchauffement, le trempage et enfin le processus de mise en forme de l'acier trempé pour la fabrication de composants de structure très résistants est connue. Un tel procédé est par exemple décrit dans le DE 103 39 119 B3. Un inconvénient dans ce type de fabrication réside 35 d'une part dans le fait que lors de ce procédé, la transformation en composant de structure doit se faire par déformation à froid, après qu'une étape de trempage a été effectuée. De cette manière, des forces plus importantes doivent être exercées pour5 l'étape de déformation à froid et les tensions induites par la déformation à froid sont plus élevées. De plus, dans le procédé décrit, une étape de recuit de stabilisation succédant à la déformation à froid peut être nécessaire, afin d'éliminer les tensions induites pendant la déformation à froid. L'objectif de la présente invention consiste à simplifier la fabrication d'un composant de châssis et simultanément d'obtenir un composant de châssis ayant une longue durée de vie. 10 Conformément à un premier aspect, l'invention concerne donc un procédé de fabrication d'un composant de châssis, lors duquel un demi-produit est déformé par déformation à froid. Le procédé est ainsi caractérisé en ce que le demi-produit déformé est soumis à un traitement de nitration après la déformation à froid. 15 Dans la présente invention, le composant de châssis est en acier. On entend par demi-produit et conformément à l'invention, un profil creux, comme par exemple un tube, ou bien encore une tôle. Dans l'étape de déformation à froid, celui-ci peut être amené à la forme souhaité pour le produit fini par pressage, par pliage ou par d'autres procédés de déformation. E par la nitration du demi-produit mis en forme, la surface du demi-produit 20 déformé se trouve consolidée. Contrairement à une consolidation de surface purement mécanique par irradiation de la surface, par exemple par grenaillage, le traitement thermochimique, à savoir la nitration, permet de régler précisément l'épaisseur de la couche durcie par le durcissement de la surface. Le traitement de nitration peut être réalisé dans un four à chambres ou un four continu. 25 Lors de la nitration, la structure de base du demi-produit en acier, par exemple une structure ferritique, est conservée dans le noyau. Par ailleurs, la formation d'austénite proche de la surface est évitée par la diffusion d'azote. À la surface du demi-produit fini, qui est aussi désigné par pièce à usiner ci-dessous, se forme sous l'effet de la 30 diffusion d'azote une couche d'assemblage en surface très dure. En-dessous de la couche d'assemblage, se forme une zone de diffusion, dans laquelle l'azote est stocké jusqu'à une certaine profondeur dans la matrice de métal de la structure de base, par exemple la matrice de métal ferritique. Cet azote, stocké en solution rigide, permet une augmentation de la limite d'endurance de la pièce à usiner. De plus, de par une 35 formation de dépôt dans les zones proches de la surface, on obtient une résistance à l'usure et une durée de vie accrues pour une contrainte cyclique. De par l'étape de nitration, on obtient une limite d'endurance de la pièce à usiner, aussi désignée comme résistance à la fatigue pour les efforts alternés, laquelle garantie la durée de vie du produit fini, c'est-à-dire du composant de châssis, même avec une sollicitation cyclique. Étant donné que sur les surfaces de la pièce à usiner, de par la formation de nitrure, il se forme une couche de haute endurance et de haute résistance à l'usure, la résistance exigée du produit fini, soit du composant de châssis, peut être conservée même avec des épaisseurs de parois moindres, ce qui permet de réduire les besoins en matériau pour la fabrication ainsi que le poids du composant de châssis. La nitration se fait en général à des températures de 400 û 600°C. En raison de cette température de traitement, des tensions peuvent être créées dans la pièce à usiner, lesquelles ont été induites pendant la déformation à froid. De par l'étape de nitration effectuée conformément à l'invention, un recuit de stabilisation séparé, nécessaire pour la déformation à froid de composants, est ainsi remplacé, raccourcissant ainsi le processus de fabrication et optimisant les coûts. De plus, la nitration se fait généralement sous vide, de telle sorte que la surface d'une pièce à usiner ne présente aucune oxydation et qu'une irradiation pour le nettoyage de la surface avant la peinture devient inutile. Cela apporte un nouveau gain de temps et une optimisation des coûts. Par ailleurs, la nitration permet non seulement d'augmenter la limite d'endurance du composant de châssis mais aussi la résistance à la corrosion et confère une protection contre l'usure. Conformément à une forme de réalisation privilégiée, le matériau source utilisé pour le demi-produit dans le procédé conforme à l'invention, est de l'acier avec une teneur en carbone � de 0,30% de poids maximum. Il a été constaté que malgré la faible teneur en carbone, la nitration permettait d'obtenir une dureté de surface suffisante. Contrairement à des aciers de nitration qui généralement présentent une teneur en carbone de 0,3% de poids à 0,4% de poids, le procédé conforme à l'invention permet de fabriquer un composant de châssis pouvant être façonné à des fins d'usage sur des camions. Le composant de châssis fabriqué conformément à l'invention peut tout particulièrement être soudé à d'autres composants. Conformément à une forme de réalisation privilégiée, le demi-produit obtient sa forme finale par la déformation à froid, soit avant la nitration. Sont désignées comme formes finales, les formes et les dimensions que possèdent les composants de châssis avant d'être montés dans le châssis ou assemblés à d'autres composants. De cette manière, il est possible de durcir de façon fiable les surfaces étant soumises à des sollicitations mécaniques dans le produit final. De plus, une autre déformation du composant à surface trempée n'est pas nécessaire, de sorte que la couche de surface durcie et obtenue par nitration ne peut pas être détruite. Le traitement de nitration consiste de préférence en une nitration par un procédé de nitration au plasma. Conformément à l'invention, la nitration du demi-produit déformé peut se faire par nitration au gaz ou nitration au plasma, aussi désignée nitration aux ions. Dans le cas présent, la nitration au plasma est privilégiée, car celle-ci permet de réduire la durée de traitement à seulement quelques heures. Un avantage particulier de la nitration au plasma et la nitration au gaz réside dans le fait que de par ce procédé, même les composants de formes complexes peuvent être traités avec fiabilité. Les profils creux en particulier, lesquels sont souvent utilisés pour les composants de châssis, peuvent aussi être consolidés de façon simple sur les surfaces internes des profils creux, ce qui améliore la solidité de tout le composant. Il n'est pas nécessaire de procéder à un traitement de finition du composant à surface durcie, après la nitration. Ainsi, comparé à d'autres procédés, comme la nitration par bains, nous optimisons encore le procédé. Conformément à une autre forme de réalisation, le procédé comporte une étape d'irradiation d'au moins une partie de la surface du demi-produit déformé à l'aide d'un agent de grenaillage après le traitement de nitration. Étant donné que l'étape de durcissement de la surface se fait par irradiation sur les surfaces, déjà consolidées par la nitration, la couche d'assemblage qui s'est formée à la nitration peut être encore consolidée par une consolidation mécanique. Ainsi, la durée de vie du composant est augmentée. De plus, l'irradiation d'une partie de la surface permet d'obtenir une augmentation localisée de la solidité. Les petites erreurs en surface résultant des étapes précédentes du processus peuvent être éliminées par l'irradiation du demi-produit déformé, ce qui contribue à augmenter la limite d'endurance. De préférence, le produit final n'est plus soumis à aucune autre étape de déformation ou de traitement thermique après le traitement de nitration, en dehors d'un traitement d'irradiation de solidification éventuellement prévu. Cela signifie qu'un traitement thermique ou mécanique ultérieur du composant n'est plus nécessaire. La structure obtenue lors la nitration et le cas échéant l'irradiation de solidification ultérieure dans le composant qui présente en particulier une haute solidité de surface et une haute ténacité dans le noyau, est ainsi conservée. De plus, le processus de fabrication, comportant un nombre réduit d'étapes, est court et offre donc un gain de temps et d'argent. Enfin, le demi-produit déformé, passé à un traitement de nitration, peut être 5 traité dans sa dimension finale, puisque le gauchissement ou la déformation lors de la nitration est minimal voire inexistant. Lors de la déformation à froid, les dimensions finales du véhicule peuvent être réglées avec fiabilité et de façon simple dans la limite de tolérances précises. En guise de matériau source du demi-produit, nous pouvons utiliser un acier microallié ou un acier revenu. Comparés à des aciers de nitration, ces matériaux source ont l'avantage d'offrir des coûts de fabrication et une teneur en carbone réduits, ce qui permet de garder la possibilité de façonner et en particulier de souder le produit final. 10 Un acier pouvant être utilisé dans le procédé conforme à l'invention, est par exemple l'acier revenu de l'entreprise Benteler AG, commercialisé sous la référence BTR 165. Au-delà du fer et d'impuretés conditionnées par la fusion, l'acier utilisé comme matériau source peut par exemple présenter une des trois répartitions en pourcentage 15 de poids d'éléments d'alliage présentées dans le tableau 1. C Si Mn P S AI B Cr Ti Mo Cu Ni 0,18 0.1- 1.0- Max. Max 0,01 0.0015 Max 0.02- Max. - - -0,3 0,7 2,5 0,025 0,01 - -0,005 0,8 0,05 0,5 0,06 0,23 0,15 1,10 Max. Max. 0,02 - 0,10 0.03- 0- - - - - - 0,025 0,01 - - 0,05 0,35 0,27 0,50 1,40 0,06 0,35 0,22 0,20 1,20 Max. Max. 0,02 0,0020 0,10 0,020 Max. Max. Max. - - - 0,020 0,01 - - - - 0,35 0,10 0,30 0,25 0,30 1,40 0 0,06 0,0035 0,20 0,050 Tableau 1 Conformément à une forme de réalisation, le matériau source du demi-produit est une 20 sorte d'acier composée en pourcentage de poids, de : Carbone (C) : 0,22% à 0,25% Silicium (Si) : 0,20% à 0,30% Manganèse (Mn) : 1,20% à 1,40% Phosphore (P) : maximum 0,020% Souffre (S) : maximal 0,010% Aluminium (Al) : 0,20% à 0,060% Bore (B) : 0,0020% à 0,0035% Chrome (Cr) : 0,10% à 0,20% Titane (Ti) : 0,020% à 0,050% Molybdène (Mo) : maximal 0,35% Cuivre (Cu) : maximal 0,10% Nickel (Ni) : maximal 0,30% Reste : fer et impuretés résultant de la fusion. Il a été constaté qu'avec chacun de ces alliages, une consolidation de la surface peut être obtenue à la nitration, possédant une limite d'endurance suffisante, en particulier pour les composants de châssis de camions. De plus, le coût de fabrication de cet alliage d'acier est peu coûteux et peut en particulier être soudé en raison de la faible teneur en carbone. Conformément à un autre exemple de réalisation, le matériau source est un acier qui présente des éléments d'alliage dans les quantités nommées dans les exemples du tableau 1, sachant toutefois que la teneur en aluminium est augmentée. Par exemple, la teneur en aluminium peut être de 0,020% de poids à 0,10% de poids. Grâce à cette teneur accrue en aluminium, la dureté de la couche de nitrure composée de la couche d'assemblage et de la couche de diffusion, est encore augmentée et la résistance à l'usure encore améliorée. En supplément ou en guise d'alternative, il est possible, conformément à l'invention, d'utiliser un acier comme matériau source présentant une teneur en vanadium (V) pouvant aller jusqu'à 0,100% de poids maximum. On utilise de préférence un acier présentant l'une des compositions données dans le tableau 1, pour lequel jusqu'à 0,100% de poids maximum de vanadium est allié. Un autre matériau source possible pour la fabrication du demi-produit est un alliage qui en dehors du fer et des impuretés résultant de la fusion, est constitué des éléments d'alliages en pourcentages de poids suivants : Carbone (C) : 0,02% -0,14% Silicium (Si) : max. 0,15% Manganèse (Mn) : 0,15% - 1,50% Phosphore (P) : max. 0,035% Souffre (S) : max. 0,020% Aluminium (Al) : 0,015% - 0,060% Niobium (Nb) : 0,020% - 0,120% Titane (Ti) : max. 0,100% Vanadium (V) : max. 0,100% Molybdène (Mo) : max. 0,10% Dans un autre alliage pouvant être utilisé comme matériau source pour le demi-produit conformément à la présente invention, sont contenus, en plus du fer et des impuretés résultant de la fusion, les éléments d'alliage en les pourcentages de poids suivants : Carbone (C) : 0,02% -0,10% Silicium (Si) : max. 0,40% Manganèse (Mn) : 0,50% - 1,60% Phosphore (P) : max. 0,025% Souffre (S) : max. 0,010% Aluminium (Al) : min. 0,020% Niobium (Nb) : 0,008% - 0,060% Titane (Ti) : 0,008% - 0,060% Vanadium (V) : 0,008% - 0,060% Qu'il soit précisé que lors de divergences aux compositions d'alliage données, en particulier une divergence à la dernière composition d'alliage nommée, les composants de nitrure (Al, Ti, Mo, Cr) peuvent être alliés individuellement ou en combinaison. Les alliages d'aciers nommés, pouvant être utilisés pour le procédé conforme à l'invention, se distinguent en particulier par la faible teneur en carbone, par les composants de nitrure (Al, Ti, Mo, Cr) contenus dans les alliages respectifs en quantités appropriées, par la bonne capacité de déformation de l'acier qui possède cet alliage, ainsi que par le prix réduit de l'acier et enfin par la disponibilité du matériau source. Conformément à une forme de réalisation, le demi-produit est un profil creux, en particulier un profil creux à parois minces. Contrairement à des composants pleins, il est particulièrement important de garantir à un profil creux, en particulier un profil creux à parois minces une dureté de surface et en même temps une souplesse de torsion, 7 qui sont réglées de telle sorte que le produit final supporte les exigences de sollicitations cycliques. Pour ces demi-produits, le procédé conforme à l'invention s'avère particulièrement approprié. De préférence, le procédé de fabrication conforme à l'invention consiste en un procédé continu. À ce propos, on entend par procédé continu, un procédé de fabrication en série des composants de châssis, dans lequel les cadences de chaque étape de procédé sont parfaitement synchronisées. Là, le processus de fabrication est intégré comme une chaîne de production, de telle sorte que les produits qui ont terminé une étape de procédé soient dirigés immédiatement vers l'étape de procédé suivante. L'avantage de ce procédé réside dans l'optimisation des coûts puisque l'entreposage prolongé n'est plus nécessaire. Par ailleurs, la cadence du processus de fabrication qui est utilisée dans des procédés de fabrication habituels de composants de châssis, ne doit pas être prolongée grâce à la durée de traitement de nitration réduite. La nitration peut au contraire être insérée au processus de fabrication sans modifier les cadences. Conformément à un autre aspect de l'invention, l'invention concerne un composant de châssis qui est fabriqué selon le procédé conforme à l'invention. Ce composant de châssis peut par exemple figurer un profil de torsion, des stabilisateurs (courbés ou droits) ainsi que des composants de tubes qui sont soumis à une sollicitation cyclique à l'usage. Des exemples de composants de châssis sont les supports d'essieu, les bras, les essieux arrière multibras, les essieux multibras, les essieux avant, les bielles, les traverses longitudinales et transversales en tube ou en tôle, ainsi que les bras de transmission. Pour tous ces composants de châssis, le procédé appliqué conformément à l'invention, avec les alliages d'acier privilégiés est particulièrement adapté en raison de la combinaison de la solidité de surface élevée et de la souplesse de torsion pouvant être obtenues avec le procédé conforme à l'invention. De même, les coûts réduits que représentent les alliages privilégiés et le procédé de fabrication conforme à l'invention sont très avantageux pour ces composants de châssis. Les avantages et les caractéristiques qui sont décrits pour le procédé, sont aussi valables, dans la mesure où ils peuvent être appliqués, pour le composant de châssis conforme à l'invention et vis versa. Par ailleurs, les avantages et caractéristiques qui sont décrits pour une forme de réalisation, sont aussi valables pour d'autres formes de réalisation sans que ceux-ci ne présentent obligatoirement toutes les caractéristiques de chacune des autres formes de réalisation. L'invention est à nouveau décrite ci-dessous, à l'aide d'exemples possibles de réalisation, en s'appuyant sur les schémas annexés. Sont présentés : Figure 1 : déroulement de procédé schématique d'un premier exemple de réalisation du procédé conforme à l'invention ; et i0 Figure 2 : déroulement de procédé schématique d'un autre exemple de réalisation du procédé conforme à l'invention. Dans la figure 1, on trouve en position A un demi-produit en forme de tube à partir duquel est fabriqué le composant de châssis. Ce tube est déformé à travers plusieurs 15 étapes de déformation jusqu'à donner le demi-produit déformé présenté dans la position B. Ici, on peut utiliser le pliage et d'autres déformations sans tension. Le demi-produit ainsi déformé est ensuite (position C de la figure 1) introduit dans une chambre de traitement pour le procédé de nitration. Dans cette chambre de traitement, 20 un gaz contenant de l'azote est ionisé sous vide, par exemple à l'aide d'un champ électrique. Ainsi, on forme une couche d'assemblage sur les surfaces de la pièce à usiner introduite dans la chambre de traitement, dans laquelle sont aussi formés, en plus du nitrure de fer, des nitrures spéciaux, en particulier par l'aluminium, le chrome, le molybdène, le vanadium ou le titane. En-dessous de la couche d'assemblage se 25 forme la couche dite de diffusion, dans laquelle se trouve l'azote sous forme de nitrures fins. Au lieu du traitement dans une chambre de traitement, le traitement de nitration peut aussi se faire dans un four continu. Après une durée de traitement préréglable, la pièce à usiner est retirée de la chambre 30 de traitement (position D) sous forme de produit fini. Dans la figure 2, est présentée une autre forme de réalisation du procédé conforme à l'invention. Ici, la pièce à usiner nitrurée dans la chambre de traitement (position C) est envoyée à un traitement d'irradiation de la surface (position E de la figure 2). Dans 35 cette étape de traitement, la surface est entièrement ou partiellement irradiée de grenaille, ce par quoi résultent des tensions de pression à la surface. Une fois la grenaille enlevée, nous obtenons le produit fini (position D de la figure 2). Avec la présente invention, nous pouvons obtenir toute une série d'avantages. La durée de vie en particulier des composants de châssis peut en particulier être obtenue pour des coûts de fabrication en comparaison moindres. Les frais de fabrication peuvent être en particulier réduits du fait que nous pouvons renoncer aux traitements thermiques, par exemple un recuit de stabilisation, en raison du processus de nitration. La durée de vie des composants de châssis, en particulier de profils de torsion nitrurés, est nettement supérieure à la durée de vie de composants fabriqués selon des procédés de fabrication traditionnels. De plus, en raison de la limite d'endurance i0 pouvant être obtenue, il est possible de réduire l'épaisseur de paroi des composants de châssis, en comparaison à des composants de châssis fabriqués selon des procédés connus. Ainsi, le poids des composants de châssis peut être réduit. Enfin, avec le procédé conforme à l'invention, il est possible d'obtenir une réduction des coûts, même pour des alliages d'acier à teneur faible en éléments d'alliage, 15 spécialement conçus pour le processus de nitration.