FR 2137843 A1 19721229 FR 7217076 A 19720512 72 17076 -1- 2137843 l'invention concerne un procédé de traitement thermique continu d'aciers hypoeutectoïdes d'amélioration en forme de "barres, contenant de 0,30 à 0,60 % de carbone, ainsi que d'aciers à teneurs usuelles en constituants d'alliage, le reste étant du 5 fer et les constituants habituels, pour améliorer les propriétés mécaniques du matériau (résistance, allongement, ou leur relation entre eux), en utilisant un chauffage rapide suivi d'une trempe. L'invention porte également sur un dispositif préféré pour mettre en oeuvre le procédé. 10 le procédé par induction convient en particulier pour un chauffage rapide. Ses principes appartiennent à l'état de la technique et sont décrits, en même temps que des exemples d'application dans "Grundlagen der induktiven ErwSrmung* CDas Industrieblatt, Stuttgart (Avril 1960), pages 204 - 210). le do-15 maine d'application le plus connu-est la trempe superficielle par induction. Dans ce procédé, on chauffe pendant une courte durée, dans leur cotiahe superficielle ou croûte, des qualités d'acier trempables (ou "bien, améliorables) à forte teneur en carbone, puis on les trempe* On obtient ainsi une trempe de la 20 croûte tandis que la texture à coeur reste inaltérée» Pour l'état de la technique, on peut citer le brevet allemand 879 111» par lequel il est connu de faire subir un revenu par électro-induction, à un acier trempé provenant de préférence du laminage à chaud* 25 On peut également citer à titre d'exemple le brevet autri chien 173 4-74-» d'après lequel il appartient à l'état de la technique d'austéniser complètement un fil d'acier lors du chauffage, de le tremper, puis de le soumettre à un revenu d'une façon spéciale. 30 la présente demande part de la constatation qu'avec les exigences croissantes de la pratique les résultats antérieurs obtenus pour les propriétés mécaniques des matériaux ne peuvent pas donner satisfaction. On a, en particulier, cherché à améliorer la relation entre la résistance et l'allongement de manière 35 qu'une amélioration des caractéristiques de résistance ne conduise pas obligatoirement à une détérioration de même importance des caractéristiques d'allongement. Suivant l'invention, on atteint ce but comme suit : l'acier rianp son état initial présente une texture cristalline hétérogè-40 ne (ferrite proeutectoïde et perlite); on le chauffe rapidement, 72 17076 -2- 2137843 sur la totalité de sa section, à -une vitesse d'en moyenne au moins 200°C/s, de préférence au moins 300°C/s, en lui faisant traverser-la zone de température située au-dessus de la ligne de la perlite (Ac^), jusqu'à des températures atteignant au mn-viminn 5 1 300°C; puis, avant qu'il se produise une homogénéisation importante du carbone par diffusion, on. le trempe à une vitesse donnant une texture presque exempte de martensite. On entend par ces derniers mots qu'on ne doit pas dépasser un taux de 5 % de martensite. 10 la trempe a de préférence lieu de façon que les parties austénisées les plus riches en carbone de la texture soient transformées en troostite et/au. en bainite, tandis que la partie restante de la texture consiste essentiellement en ferrite. Dans un mode de mise en, oeuvre préféré du procédé de l'in-t5 veution, on chauffe l'acier» uniquement dans sa couche superficielle, au moyen de faisceaux électroniques, en particulier par iaiuffiri-Qn, jusqu'à une température comprise entre Ac^ et 1 300°C, de Manière que la quantité de chaleur introduite chauffe rapide-asnt le coeur en moyenne à raison, d'au moins 200° de préférence ZQ au moins 400°0/s jusqu'à au plus 1 100°G, puis on trempe à l'intérieur ûe la zone de température-indiquée (figure 1 ). Il est avantageux de chauffer le coeur en moyenne à raison d'environ 700*0/s pour l'amener dans la zone de température indiquée. • Pour la définition de l'expression "intervalle de tempéra-25 ture*, on se réfère à la figure 1 qui. sera discutée plus loin. On règle lors de l'induction la quantité de chaleur introduite au moyen des paramètres réglables, àenèité de puissance n (W/cm ) et profondeur de pénétration (fonction de la fréquence), paramètres qu'on règle sur la vitesse de défilement de la barre. 30 De façon particulièrement avantageuse, on trempe à l'ins tant où la température du coeur et la température superficielle de la couche' superficielle se recoupent(prennent la même valeur t = tg d'après la figure 1). la durée totale depuis le franchissement du point Ac^ jus-35 qu'au début de la trempe est de préférence inférieure à 8 secondes, ce franchissement étant le premier franchissement du point Ac^ dans la croûte, lors du chauffage rapide au-dessus de 900°0, on préfère que la durée de séjour de la section de la barre dans la zone de température au-dessus de 900°0 soit au 40 plus de 1 seconde. Quand on chauffe jusqu'à des températures 72 17076 -3- 2137843 très élevées, des durées de séjour inférieures à 1/2 s peuvent être indiquées» On recommande, comme mesure technique, de choisir la durée âe séjour, depuis le premier franchissement de la ligne de per-5 lite à coeur jusqu'au début de la trempe en surface, égale à au plus 1,5 s, et même inférieure à 1 s» On peut également obtenir de.bons résultats avec des valeurs inférieures à 0,5 s» Le premier franchissement de la ligne de perlite se rapporte à un® première partie transformée décelable de la texture à coeur 10 Cet non l'ensemble de la texture)» On peut facilement déterminer cet instant au moyen d'examens microscopiques» H peut être préférable de chauffer préalablement l'acier, avant de le traiter thermiquement, jusqu'à des températures inférieures à ic^, en particulier des températures inférieures au 15 début de la reeristallisation» Pour éviter celle-ci, on ne doit donc encore pouvoir constater aucune modification de la texture lors du chauffage préalable» De façon particulièrement avantageuse, on chauffe préalable ■eat l'acier de façon continue par induction. Par grande profon-20 deur de pénétration, on entend, pour des barres minces, 90 % de la section totale et, pour les dimensions les plus courantes telles que d'un diamètre au-dessus de 14 mm 60 % de la section, fractions qui sont donc intéressées de façon primaire par le préchauffage. 25 On trempe de préférence par de l1eau projetée à la façon d'tin arrosoir ou en éventail» On évitera des vitesses trop grandes de refroidissement, parce qu'une formation de martensite n'est pas désirable. On obtient de très bons résultats avec des vitesses de refroidissement comprises entre 300 et 350°0/s; la 30 barre devant quitter l'organe d'arrosage par de l'eau à une température de 300 à 400°G. Pour améliorer les propriétés de résistance, les propriétés d'allongement restant encore bonnes, il est avantageux d'obtenir à l'instant t = t2, à l'intérieur de la zone de température in-35 diqnée sur la figure 1, une température de 750 à 1 000°C et de tremper à partir de là. On préfère des températures voisines de 850°G, en tenant compte de la dépendance de l'analyse. • • On a obtenu de bons résultats avec un matériau de départ dont la texture consistait pour au moins 20 %, et de préférence 40 30 %, en ferrite proeutectoïde» 72 17076 -4- 2137843 le procédé suivant l'invention donne de très "bons résultats quand on l'applique à des aciers non alliés ayant une teneur en carbone comprise entre 0,30 et 0,50 une teneur en mangarè se comprise entre 0,50 et 2 %, et des teneurs en silicium allant 5 jusqu'à 1,5 le -reste étant du fer et les constituants usuels liés à la fabrication. On applique de préférence le procédé à des barres d'un diamètre compris entre 4 et 40 mm, en particulier 6 à 16 mm. Comme applications, on prévoit en particulier les qualités 10 de barres qgi conviennent comme armature précontrainte. Il peut être préférable de procéder, à la suite du traitement thermique suivant l'invention, à un dressage, et éventuellement de le faire suivre d'un revenu, ce qui améliore en particulier la limite d'élasticité. 15 Un dispositif préféré pour mettre en oeuvre le procédé sera décrit en se référant à la figure 2. On donnera ci-après quelques définitions. En "forme de barres", on entend par là des formes qui, perpendiculairement à leur axe longitudinal, présentent toujours 20 sensiblement la même section en coupe, mais plus particulièrement les formes qui possèdent en outre le même contour superficiel. "Groûte ou couche superficielle", on'entend par là la couche extérieure de la barre opposée à la zone du coeur. Ii'épais-25 seur de cette croûte, c'est-à-dire en particulier son volume comparé au volume du coeur, est déterminé par la température désirée du coeur. Techniquement, dans le cas d'un procédé à induction, l'épaisseur de la croûte désirée est déterminée par la fréquence existante. Plus la fréquence est choisie faible, plus l'épaisseur 30 de la croûte est grande. On règle la quantité de la chaleur transmise au moyen de la dimension de la bobine et de la densité de puissance. On règle donc la température désirée dans la croûte et par suite aussi la température qui en résulte à coeur en choisissant la fréquence et en réglant la vitesse de défilement 35 de la barre sur la dimension de la bobine et sur la densité de - puissance (durée de séjour de la barre dans la zone d'induction) . "Zone de température" (suivant la figure 1). On a représenté schématiquement sur la figure 1 la variation de la tem-40 pérature en fonction du temps lors d'un chauffage par indue- 72 17076 -5- 2137843 tion non suivi d'une trempe (refroidissement à l'air par rayonnement). La courbe représente la variation de température pour un fil de 8 im de diamètre, pour lequel on avait effectué un chauffage primaire d'une croûte de 0,8 mm d'épaisseur. Comme le 5 montre la figure 1, un flux calorifique en direction du coeur a déjà lieu dans une faible mesure pendant la durée du séjour dans la bobine. La plus grande partie, de beaucoup, du flux calorifique de la croûte chaude vers le coeur relativement froid a lieu après avoir quitté la bobine d'induction (ïn sur la figure 1). 10 s Cette égalisation sur la section de la barre, qui s'accomplit dans le temps, a lieu dans l'intervalle de température At. Pour obtenir les effets suivant l'invention, on ne doit tremper qu'à l'intérieur d'un intervalle de temps bien déterminé, ^ l'instant t = tg donnant en particulier des résultats particulièrement bons. & . ces instants correspondent dans les revendications des températures bien déterminées. On va expliquer ce fait ici en liaison avec la revendication 1 et avec les revendications 3 et 4. La limite inférieure dans le temps t = t^ est, comme le montre la figure 1, déterminée par la température à coeur (T>, ). D'après la revendication 1, la barre doit être chauffée sur la totalité de sa section, avec une certaine vitesse, à travers la zone de température située au-dessus de la Ligne dô perlite 20 25 Dans l'ensemble de la section de la barre, c'est le coeur qui subit le chauffage le plus lent, de sorte qu'en énonçant les conditions du chauffage rapide, on devrait partie du coeur* La limite inférieure dans le temps t = t^ est, suivant l'invention, située à la température de coeur (T^) pour laquelle com- mence la transformation de la perlite (Ac^) à coeur, cet instant étant donné par les premières parties décelables de la texture qui, à cause dit traitement thermique suivant 1*invention, sont passées par le changement de phase (a- Y -a). Pour lsr Unité supérieure dans le temps tr » il est indiqué dans la revendication 1 que la température peut atteindre au. maxiartot 1 300*0, avec addition de la condition supplémentaire limitative, qu'il, eue doit pas y avoir homogénéisation poussée du carbone par diffusion» Pour une meilleure explication, on reviendra à HOtrreaa plus loin sur cette valeur, quand le principe fondamental de l'invention aura à nouveau été exposé. Comme au40 72 17076 -6- 2137843 tre condition préférée de la limite supérieure dans le temps "fr = on indiquera que les parties austénisables de la texture de la "barre n'ont pas encore été refroidies au-dessous du point Ac^. 5 On a indiqué les instants t^ et t^ pour délimiter le procé dé suivant l'invention, tandis qu'on trempe de préférence dans la zone de l'instant t = tg. Comme le montre la figure 1, cet instant t = tg est déterminé par l'instant où la température de la surface de la croûte tombe au-dessous de la température à 10 coeur, c'est-à-dire le point où se coupent les courbes représentées sur la figure 1. On peut très bien, en pratique, déterminer par une mesure pyrométrique l'instant t =■ tg à l'intérieur de la zone de température indiquée car, après l'homonégéisation thermique en di-rection du coeur, la citrate de température mesurable sur la surface de la croûte a lieu, de façon marquée, plus lentement que précédemment, car un flux calorifique n'a plus lieu que par rayonnement dans l'atmosphère. Comme le spécialiste peut déterminer très simplement les 2Q températures au moyen d'un pyromètre à filament, les températures indiquées dans les revendications se rapportent à des températures mesurées sa pyranètre (surface de la croûte). lies conditions de la vitesse de chauffage vont être expliquées ara moyen d'un exemple : Si l'on part de la température à 25 coeur préférée de 850°C et d'une vitesse de chauffage de 300oG/s, le calcul montre que (sans chauffage préalable) 2,8 secondes s' écoulent entre l'entrée dans la bobine et le début de la trempe. En partant de ces conditions marginale s et d'un diamètre de barre de 8 mm, le calcul donne, pour une durée de séjour de 1,3 50 seconde dans la bobim, une fréquence de 485 KHz et une densité de puissance d'emriron 950 V/cm. • Quand on fait usage -de la possibilité préférée de procéder à un préchauffage, une température de croûte très élevée est nécessaire pour maintenir les vitesses élevées de chauffage# Cette 35 température de croûte élevée exige simultanément une durée très courte de séjour dans la zone de l'austénite, afin d'obtenir les effets de l'invention, c'est-à-dire d'éviter l'homogénéisation du carbone par diffusion qui sinon se produirait. On expose ci-après, au moyen de quelques exemples numéri-4-0 que s, les propriétés mécaniques de matériaux que le procédé 72 17076 7 2137843 suivant l'invention permet d'obtenir. On a reproduit dans le tableau 1 les valeurs de l'analyse chimique, et indiqué dans le tableau 2 les caractéristiques mécaniques de matériau à l'état initial et, après le traitement thermique, pour les qualités 5 d'acier 1, 2 et Ainsi que le montre le tableau 2, la trempe avait lieu au point t = tg de la figure 1. On refroidissait en l'espace de 2 secondes, jusqu'à des températures d'environ 350°C, Le restant de l'égalisation de température avait lieu à l'air. Les micrographies montraient que la texture était presque exeap-10 te de martensite, des teneurs en martensite supérieures à 5 % ue devant en aucun cas être dépassées. Les valeurs atteintes pour la dureté et les micrographies indiquent dans la majorité des cas des textures de bainite. La troostite comme texture donne également encore de bonnes caractéristiques, en particulier re-15 lativement à 1 'allongement. Si par exemple on considère la qualité 2 et on compare les caractéristiques mécaniques de matériau qu'on obtient par le procédé suivant l'invention aux valeurs qu'on obtient avec les procédés classiques d'amélioration (par exemple chauffage au défilé par résistance), il en résulte enco-20 re une augmentation considérable des caractéristiques à la fois de résistance et d'allongement. Par les procédés dfamélioration connus, on obtient par exemple pour la qualité 2 les caractéristiques suivantes de matériau après le traitement : 25 Limite d'allontement 139 kg/mm^ Bésistance à la traction 154- kg/mm et Allongement SyjO 6,1 % Du tableau 2 et des autres essais exécutés mais non exposés ici en détail, apparaît qu'en particulier l'addition de manga-nèse en qualité d'élément d'alliage, et aussi l'addition de silicium, conduisent,en combinaison avec le procédé suivant l'invention, à une amélioration nette des caractéristiques du matériau, A cela s'ajoute que les installations connues d'amélioration ont un encombrement supérieur, fonctionnent avec des vites— 35 ses inférieures de défilement, conduisent à une décarburation périphérique supérieure, et rendent par exemple nécessaire le préchauffage au moyen de bains de plomb. Les circonstances techniques exposées ci-dessus conduisent à l'idée générale qu'il s'agit, dans le procédé suivant l'in-40 vention, de phénomènes dans lesquels des défauts d'homogénéité 72 17076 "8" 2137843 de la structure cristalline joueraient un rôle essentiel. La ferrite proeutectoxde dans le matériau de départ semble jouer ici un rôle essentiel. Par le chauffage rapide suivant l'invention et par les très courtes durées dans la zone de l'austénite, 5 on provoque un état structurel dans lequel une homogénéisation complète du carbone à l'intérieur de la texture n'a pas encore eu lieu. Il est par exemple possible que seule la perlite soit transformée en austénite, ou encore supplémentairement la ferrite, à condition que la teneur en carbone de l'austénite formée 10 reste inférieure à celle qui correspondrait à un état d'équilibre pour une homogénéisation complète par diffusion. On maintient cet état de déséquilibre au moyen de la trempe, dans laquelle en particulier les régions ij.es plus riches en carbone sont transformées en troostite ou de préférence en bainite. Il en résulte 15 une structure différenciée, à laquelle il semble que sont dues . - les caractéristiques mécaniques favorables du matériau. Le procédé suivant l'invention permet d'atteindre de préférence les caractéristiques minimales suivantes pour le maté- p riau : résistance à la traction or~B de 180 kg/mm et plus, 20 pour un allongement S^q de 7 ^ et plus, et un allongement uniformément réparti de 3,5 % et plus. Pour délimiter plus étroitement le procédé suivant l'invention, on indique les résultats suivants qu'on peut obtenir 25 en appliquant les conditions préférées du procédé. Suivant la régie préférée, on provoque, pour l'instant t = tg de la figure 1, une température comprise entre 750 et 1 000°0, en choisissant en particulier des températures voisines de 850°0, De façon détaillée, les résultats suivants sont représentatifs : 30 Etat initial : fil diamètre % G % Mn % Si % Gr 1 8 mm 0,48 0,68 1,52 0,62 2 8 Ttmi 0,45 0,68 1,42 0,52 3 7 711111 0,33 0,64 0,29 0,02 Caractéristiques du matériau pour : p Chauffage Température rapide du fil après la trempe Durée de la trempe crB (kg/mm ) *10») ô (%) S 1 env,300°C/s 300°C 2 " 300°C/s 250°C 3 « 350°C/s 160°C 1,2 s 1,1 s 0,9 s 200 240 200 8,4 7,0 7,6 4,0 4,0 5,6 72 17076 -9- 2137843 On fait donc spécialement ressortir les valeurs minimales suivantes pour les conditions préférées du procédé : Allongement ($) Ô^q = 8,0 et plus Allongement uniformément réparti (%) ô = 4,0 et plus 5 2 pour une résistance' à la traction de 180 kg/mm et plus. On va décrire enfin la figure 2, sur laquelle un dispositif préféré pour mettre en oeuvre le procédé suivant l'invention est représenté schématiquement. 1 désigne la "barre, 2 l'installation de fréquence moyenne servant au préchauffage, 3 l'installé lation de haute fréquence servant au chauffage rapide, et 4 l'arrosage par de l'eau, à la distance a_ de l'installation 3 et servant à la trempe • La région du préchauffage peut être limitée par la vitesse nHtt-Smaip. indiquée de chauffage à coeuc* 15 gable au 1 % G % Un % Si 1 0,31 1,9 0,15 2 0,44 0,65 1,56 20 3 0,55 0,5 0,2 le reste étant du fer et "lesr impuretés usuelles. Etat initial ïableau 2 So 5g 25 3Gfi formé à. froid kg/mm2 80,0 ' " 2 kg/mm 92,0 % 9,5 % 4,0 6 mm 0 1100°G àt»t2 158,0 178,0 7,8 3,0 •30 2. laminé k charàd 8 mm Ç5 70,0 88,0 26,0 15,0 985° C a t • tg 154,0 182,0 7,8 3,5 3. 36 % formé à froid 80,0 110,0 9,0 4,0 35 900° G 130,0 15^,0 5,4 1,2 à t = tg 72. 17076 " 2137843 HEV-EÏTDI CAïIOïS 1,- ErocécLé de traitement thermique continu d'aciers hy-poeutectoîdes d'amélioration en forme de barres, contenant de 0,30 à 0,60 % de carbone, ainsi que d'aciers à teneurs usuelles en constituants d'alliage, le reste étant du fer et les constituants habituels, pour améliorer les propriétés mécaniques du matériau (résistance, allongement, ou leur relation entre eux), en utilisant un chauffage rapide suivi d'une trempe, procédé caractérisé par le fait qu'on chauffe rapidement l'acier sur la totalité de sa section, à une vitesse d'en moyenne au moins 200°G/s, de préférence au moins 300°C/s, en lui faisant traverser la zone de température située au-dessus de la ligne de la perlite (Ac^), jusqu'à des températures atteignant au maximum 1 300*G; puis, avant qu'il se produise une homogénéisation importante du carbone par diffusion, on le trempe à une vitesse donnant une texture presque exempte de martensite. 2.- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel on trempe de façon que les parties austénitiques les plus riches en carbone de la texture soient transformées en une texture de troostite et /ou de bainite. 3*- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel on chauffe l'acier, tmiquement dans sa couche superficielle, au moyen de faisceaux électroniques, en particulier par induction, jusqu'à une température comprise entre Ac^ et 1 300°C, de manière que la quantité de chaleur introduite chauffe - rapidement le coeur en moyenne à raison d'au moins 200°0/s, de préférence au moins 400°G/s, jusqu'à au plus 1 100°G, puis on trempe à l'intérieur de la zone de température indiquée# 4»- Procédé suivant la revendication 3» dans lequel on trempe à l'instant où la température du coeur et la température superficielle de la couche superficielle sont égales (t = tg ) • 5»- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel, lors d'un chauffage rapide au-dessus de 900°C, la durée de séjour de la section de la barre dans la zone-de température au-dessus de 900°C est au plus d'1 seconde, 6,- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel la durée de séjour, depuis le premier franchissement de la ligne 72 17076 2137843 de perlite (Ac^) à coeur jusqu'au début de la trempe en surface est égale à au plus 1,5 s et en particulier est inférieure à 1s, . - 7.- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel on chauffe préalablement l'acier, avant de le traiter thermique-ment, jusqu'à des températures inférieures à Ac^, en particulier des températures inférieures à la recristallisation, 8,- Procédé suivant la revendication 7» dans lequel on chauffe préalablement l'acier de façon continue par induction avec une grande profondeur de pénétration, 9»- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel on trempe par de l'eau projetée à la façon d'un arrosoir ou en éventail, 10,- Procédé suivant la revendication 4-, pour améliorer les propriétés de résistance a~g, o-g), les-propriétés d'allongement restant encore bonnes, on provoque, pour l'instant t « tg, à l'intérieur de la zone de température indiquée, une température de 750 à 1 000°G, et on trempe à partir de là, 11,- Application.du procédé suivant la revendication 1 à un matériau en barres dont la texture initiale comporte pour au moins 20 et de préférence 30 %, de ferrite proeutectoïde, 12,--Application du procédé suivant la revendication 1-à des aciers non alliés ayant une teneur en carbone comprise entre 0,30 et 0,50 une teneur en manganèse comprise entre 0,50 et 2 %, et des-teneurs en silicium allant jusqu'à 1,5 % , le -reste étant du fer et les constituants usuels, 13#- Application du procédé suivant la revendication 1 à des barres d'un diamètre compris entre 4- et 4-0 mm, en particulier 6 à 16 ma, 14-,- Application du procédé suivant la revendication 1 à des barres pour armature précontrainte , 15,- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 8, caractérisé par le fait que sont disposés dans le sens du déplacement des barres, une installation à fréquence moyenne, puis une installation à liaute fréquence et ensuite un moyen d'arrosage par de l'eau.