Brevet FR2989976A1 — publié le 20131101

La présente invention concerne le domaine technique de la fabrication de pièces mécaniques en acier destinées en particulier à l'industrie automobile et elle vise plus précisément la fabrication de pièces à géométrie complexe obtenues par forgeage ou estampage, telles que les vilebrequins, les pièces de liaison au sol pour automobiles ou pour camions. Dans l'état de la technique, il est connu de réaliser de telles pièces par forgeage ou estampage à chaud, suivi d'un traitement thermique dit direct par exemple un refroidissement air soufflé ou différé. Le traitement de telles pièces en acier dans la chaude de forge entraine une simplification notable des gammes de fabrication et par suite, une économie importante sur les pièces finies. Un tel procédé de fabrication doit être réalisé de manière que les pièces traitées respectent les exigences souhaitées relatives par exemple à l'aptitude à l'usinage et au traitement de surface ultérieur ainsi qu'aux caractéristiques mécaniques telles que la résistance, la tenue à la fatigue, l'allongement, etc. Pour satisfaire le besoin d'augmenter les propriétés mécaniques de telles pièces, il est connu d'utiliser des aciers de plus en plus nobles incorporant différents éléments d'addition, ce qui conduit à un surcoût pour les pièces ainsi réalisées. La présente invention vise à remédier aux inconvénients énoncés ci- dessus en proposant un procédé de fabrication de pièces en acier à géométrie complexe, conçu pour augmenter les caractéristiques mécaniques des pièces obtenues tout en n'augmentant pas le coût de la matière première les constituants. Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé de fabrication de pièces en acier, adapté pour assurer un traitement thermique directement après l'opération de forgeage ou d'estampage à chaud et localisé au moins sur des zones fonctionnelles de la pièce. Pour atteindre de tels objectifs, l'objet de l'invention concerne un 30 procédé de fabrication de pièces en acier, comportant les étapes suivantes : - assurer le forgeage ou l'estampage à chaud d'une pièce en acier, - assurer, juste après l'opération de forgeage ou d'estampage à chaud alors que la pièce présente une température comprise entre 750°C et 1150°C, une opération de trempe sur au moins une partie de la pièce de sorte que le refroidissement soit tel que la structure de la couche superficielle de la pièce soit composée de bainite et/ou de martensite, - interrompre, l'opération de trempe de manière que la température du coeur de la pièce puisse permettre d'assurer une opération ultérieure d'auto-revenu, - soumettre la pièce à une opération d'auto-revenu de manière à 10 obtenir une pièce avec une couche superficielle de bainite et/ou de nnartensite revenue et un coeur ferrito-perlitique. Un autre objet de l'invention concerne un procédé mettant en oeuvre l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles suivantes : - mesurer la température de la pièce avant l'opération de trempe et à 15 piloter l'opération de trempe en fonction de la température de la pièce, - piloter l'opération de trempe en mettant en relation la température mesurée et le diagramme temps-température de transformation de l'acier, - assurer le forgeage ou l'estampage d'une pièce en acier présentant une taille de grain de 3 à 6, 20 - assurer l'opération de trempe interrompue de manière à obtenir une couche superficielle de bainite et/ou de nnartensite revenue d'une épaisseur au moins égale à 5 mm de profondeur à partir de la peau de la pièce, - à assurer l'opération de trempe interrompue sur des parties localisées de la pièce à l'aide de buses immergées ou de buses de pulvérisation, 25 - à assurer l'opération d'auto-revenu à l'air libre sur convoyeur soit jusqu'au stockage des pièces à condition que la température des pièces n'entraine plus transformation métallurgique soit suivie à nouveau d'une opération de trempe n'entraînant pas de transformation métallurgique. Un autre objet de l'invention est de proposer une pièce en acier forgée 30 ou estampée, obtenue par le procédé conforme à l'invention, cette pièce comportant d'une part, une couche superficielle de bainite et/ou de martensite revenue d'une épaisseur d'au moins 5 mm de profondeur à partir de la peau de la pièce et d'autre part, un coeur ferrito-perlitique. Un autre objet de l'invention concerne une pièce comportant l'une et/ou l'autre des caractéristiques additionnelles suivantes : - sur au moins des zones fonctionnelles localisées, une couche superficielle de bainite et/ou de martensite revenue d'une épaisseur d'au moins 5 mm de profondeur, - en tant que matériau constitutif, en acier au carbone ou en acier faiblement allié. Une telle pièce trouve des applications pour constituer une pièce pour véhicule telle qu'un vilebrequin, une pièce de liaison au sol pour automobiles ou camions. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La Figure 1. est un schéma illustrant la dureté entre une couche superficielle par rapport à la distance de la surface, d'une pièce obtenue conformément au procédé selon l'invention. La Figure 2 est un exemple d'un diagramme temps / température de 20 transformation d'un acier C45. L'objet de l'invention concerne un procédé permettant de fabriquer des pièces massives en acier présentant une géométrie complexe. Selon une application préférée, de telles pièces mécaniques sont des vilebrequins, des pièces de liaison au sol pour automobiles ou camions. Ces pièces sont en 25 acier et présentent une taille de grain de 3 à 6. Par exemple, cette pièce est en acier au carbone, ou en acier faiblement alliée et par exemple avec une trempabilité contrôlée par un manganèse équivalent. Le procédé selon l'invention consiste à assurer le forgeage ou l'estampage à chaud d'une pièce en acier par les techniques classiques de 30 forgeage ou d'estampage utilisant un chauffage des lopins par exemple par induction. Un tel traitement de forgeage ou d'estampage à chaud n'est pas décrit précisément car il est bien connu de l'homme du métier. 2 9899 76 4 Conformément au procédé selon l'invention, la pièce qui est encore dans la chaude de forge, subit juste après l'opération de forgeage ou d'estampage à chaud, une opération de traitement thermique. Ainsi, la pièce subit une opération de traitement thermique alors qu'elle présente une 5 température comprise entre 750°C et 1150°C. Conformément au procédé selon l'invention, l'opération de traitement thermique est composée de deux phases successives, à savoir une phase de trempe interrompue et une phase d'auto-revenu qui suit la phase de trempe interrompue. 10 Selon une première variante de réalisation, l'opération de traitement thermique est réalisée sur la totalité de la pièce. Selon une deuxième variante de réalisation, l'opération de traitement thermique est réalisée sur une partie seulement de la pièce et plus précisément, sur des zones localisées et en particulier les zones 15 fonctionnelles de la pièce à savoir, les zones qui au cours de l'utilisation ultérieure de la pièce, doivent présenter des caractéristiques mécaniques particulières. Dans le cas où l'opération de traitement thermique est réalisée sur la totalité de la pièce, l'opération de trempe interrompue consiste par exemple, à tremper la pièce directement après l'opération de forgeage ou d'estampage, dans un bac d'eau pure ou additivée (c'est-à-dire avec un polymère ou un fluide adapté à l'acier choisi) présentant une température et une agitation contrôlées. Dans le cas où l'opération de traitement thermique est uniquement 25 réalisée sur une partie de la pièce et en particulier sur ses zones fonctionnelles, l'opération de trempe interrompue consiste par exemple, à tremper la pièce directement après l'opération de forgeage ou d'estampage : - soit dans un bac de trempe avec des buses immergées permettant une trempe localisée sur les zones fonctionnelles de la pièce, 30 - soit par pulvérisation simple d'eau ou d'un mélange diphasique eau/air sur les zones fonctionnelles de la pièce. Cette opération de trempe est ainsi réalisée sur au moins une partie de la pièce. Cette opération de trempe est réalisée de sorte que le refroidissement soit tel que la structure de la couche superficielle de la pièce soit composée de bainite et/ou de martensite. L'opération de trempe est 5 déterminée pour garantir une trempe bainite et/ou martensitique sur une profondeur de la pièce allant jusqu'à au moins 5 mm de profondeur à partir de la peau de la pièce et selon une variante avantageuse de réalisation, sur une profondeur de la pièce allant jusqu'à au moins 10 mm de profondeur à partir de la peau de la pièce. 10 Cette opération de trempe est interrompue de manière que la température du coeur de la pièce puisse permettre d'assurer la deuxième phase du traitement thermique à savoir l'opération ultérieure d'auto-revenu. Cet auto-revenu est obtenu par la diffusion de la chaleur encore présente au coeur de la pièce de manière à obtenir une pièce avec une couche 15 superficielle de bainite et/ou de martensite revenue. Bien entendu, cette phase d'auto-revenu permet d'obtenir une dureté désirée pour la couche superficielle de bainite et/ou de martensite revenue. Cette phase d'auto-revenu peut être réalisée de différentes manières comme par exemple : 20 - par un auto-revenu de la pièce, réalisé à l'air libre sur un convoyeur jusqu'au stockage c'est-à-dire à la mise en bac des pièces, à condition que la température de ces pièces n'entraîne plus de transformation métallurgique, - par un auto-revenu de la pièce, réalisé à l'air libre sur un convoyeur puis suivi de nouveau par une trempe à partir d'une température 25 n'entraînant plus de transformation métallurgique, afin d'optimiser le temps de production ou la surface au sol de l'installation, - par un maintien de la pièce dans un tunnel régulé en température pour assurer un revenu isotherme. Un tel traitement thermique en deux phases permet d'obtenir une pièce 30 présentant sur une profondeur égale à au moins 5 mm à partir de sa peau, une couche superficielle de bainite et/ou de martensite revenue possédant une dureté souhaitée élevée en particulier pour les zones fonctionnelles alors que le coeur de la pièce présente une structure ferrito-perlitique possédant une dureté plus faible. Un tel traitement thermique permet le meilleur compromis entre les caractéristiques mécaniques de la pièce et son aptitude à l'usinage. La Fig. 1. permet de mettre en évidence les résultats obtenus sur une pièce forgée ou estampée, ayant subie immédiatement après l'opération de forgeage ou d'estampage, le traitement thermique de trempe interrompue et d'auto-revenu conforme au procédé selon l'invention. Cette figure 1 montre l'évolution de la dureté (HV vickers) d'une pièce en fonction de la profondeur c'est-à-dire de la distance par rapport à la surface ou à la peau de la pièce. Ainsi, par exemple, sur une profondeur de 4mm, la pièce présente une dureté de l'ordre de 350HV et une structure martensite revenue apparaissant sur l'imagette de gauche. Sur une profondeur comprise entre 4mm et lOrnm, la pièce présente une dureté qui baisse de 350HV à 300HV et une structure martensite/bainite revenue apparaissant sur l'imagette du milieu. A partir d'une profondeur de 10mm, la pièce présente une dureté qui baisse de 300HV à 230HV et une structure ferrito-perlitique apparaissant sur l'imagette de droite. Selon une caractéristique de l'objet de l'invention, le procédé consiste à 20 mesurer la température de la pièce avant l'opération de trempe. Cette opération de mesure de la température de la pièce est assurée par tout moyen approprié pour permettre de piloter l'opération de trempe en fonction de la température de la pièce. Le procédé selon l'invention prévoit de relever la température pour au moins les zones fonctionnelles de la pièce pour 25 lesquelles le traitement thermique est réalisé. Ce relevé de température peut être réalisé soit par imagerie thermique soit à l'aide d'un pyromètre balayant la pièce pour mesurer la température dans au moins les zones fonctionnelles de la pièce. L'opération de trempe est pilotée en mettant en relation la température 30 mesurée sur la pièce juste avant son traitement thermique et le diagramme temps/température de transformation de l'acier. 2 9899 76 7 La Fig. 2 donne un exemple de diagramme temps / température pour un acier C45. Un tel diagramme définit les conditions de l'opération de trempe afin d'Obtenir la pièce avec les structures métallurgiques souhaitées. Ainsi, à partir de la température mesurée de la pièce, il est prévu de refroidir 5 la pièce à une température donnée pendant une durée déterminée afin d'obtenir une structure métallurgique souhaitée. Par exemple, pour une température de 1000 °C d'une pièce en C45 de diamètre 60 mm, le temps de refroidissement est de 40s. L'opération de trempe est ainsi asservie à la température mesurée sur 10 la pièce juste avant son traitement thermique. Les conditions de l'opération de trempe comme le temps de trempe et la force de brassage par exemple sont asservis à cette température. Un tel asservissement de ces conditions repose sur une méthode d'apprentissage de température, sur une méthode statistique de la température ou sur une technique de moyennage de ces 15 méthodes. Ainsi, un tel asservissement est réalisé pour chaque type de pièces. Pour les pièces appartenant à un même type, il apparait possible de déterminer l'asservissement des conditions de trempe en fonction de la température de la pièce en sortie de l'opération de forgeage ou d'estampage. Un tel asservissement peut être mis en oeuvre dans la mesure où la température des pièces relevant d'un même type diffère peu d'une pièce à l'autre. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS1 - Procédé de fabrication de pièces en acier, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - assurer le forgeage ou l'estampage à chaud d'une pièce en acier, - assurer, juste après l'opération de forgeage ou d'estampage à chaud alors que la pièce présente une température comprise entre 750°C et 1150°C, une opération de trempe sur au moins une partie de la pièce de sorte que le refroidissement soit tel que la structure de la couche superficielle de la pièce soit composée de bainite et/ou de martensite, - interrompre, l'opération de trempe de manière que la température du coeur de la pièce puisse permettre d'assurer une opération ultérieure d'auto-revenu, - soumettre la pièce à une opération d'auto-revenu de manière à obtenir une pièce avec une couche superficielle de bainite et/ou de martensite revenue et un coeur ferrito-perlitique. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer la température de la pièce avant l'opération de trempe et à piloter l'opération de trempe en fonction de la température de la pièce. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à 20 piloter l'opération de trempe en mettant en relation la température mesurée et le diagramme temps-température de transformation de l'acier. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer le forgeage ou l'estampage d'une pièce en acier présentant une taille de grain de 3 à 6. 25 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer l'opération de trempe interrompue de manière à obtenir une couche superficielle de bainite et/ou de martensite revenue d'une épaisseur au moins égale à 5 mm de profondeur à partir de la peau de la pièce 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il 30 consiste à assurer l'opération de trempe interrompue uniquement sur des parties localisées de la pièce à l'aide de buses immergées ou de buses de pulvérisation. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer l'opération d'auto-revenu à l'air libre sur convoyeur soit jusqu'au stockage des pièces à condition que la température des pièces n'entraine plus transformation métallurgique soit suivie à nouveau d'une opération de trempe n'entraînant pas de transformation métallurgique. 8 - Pièce en acier forgée ou estampée caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le procédé conforme à l'une des revendications 1 à 7, cette pièce comportant d'une part, une couche superficielle de bainite et/ou de rriartensite revenue d'une épaisseur d'au moins 5 mm de profondeur à partir de la peau de la pièce et d'autre part, un coeur ferrito-perlitique. 9 -Pièce en acier forgée ou estampée selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte uniquement sur des zones fonctionnelles, une couche superficielle de bainite et/ou de martensite revenue d'une épaisseur d'au moins 5 mm de profondeur. 10 - Pièce en acier forgée ou estampée selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'elle est réalisée en acier au carbone ou en acier faiblement allié. 11 - Pièce en acier selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce qu'elle se présente sous la forme d'une pièce pour véhicule telle qu'un vilebrequin, une pièce de liaison au sol pour automobiles ou camions.