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La présente invention est relative à une barre d'acier et à un fil d'acier obtenu à partir de celle-ci, en utilisant plus particulièrement des alliages convenant pour la production de fil d'acier par des procédés de "patenting" ou "patentage" et d'étirage du fil.
Le fil d'acier "patenté" est obtenu par une combi- naison de procédas impliquant un traitement thermique préli- minaire, suivi d'un usinage à froid, par étirage dans des filières.
Le traitement thermique est connu sous la dénomi- nation "patentage" et, dans le procédé classique, on fait passer, de manière continue, le fil ou la barre d'acier à travers une zone de chauffage (par exemple par passage dans un four chauffé à l'électricité ou au gaz ou entre des contacts électriques, de façon que la chauffage se fasse par résistance électrique), après quoi la barre ou le fil est refroifi à l'air ou dans un milieu de refroidissement liquide, tel que du plomb fondu ou un mélange de sels main- tenu à une température intermédiaire spécifique, qui dépend de la composition de l'acier à traiter.
Au cours du chauffage, l'acier est porté à une température supérieure à sa tempéra- ture critique supérieure (Ac) et une transformation en aus- ténite se produit.
Lors du refroidissement dans de l'air ou dans un milieu de refroidissement liquide, l'austénite se transforme en autres constituants, dont la nature dépend, de manière critique, de la température à laquelle s'opère la transforma- tion. Dans le procédé de "patentage" normal, les constituants
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formée sont de la ferrite (fer presque pur) et de .a cémen- tite (carbure de fer), le ferrite existant en tan que telle (ferrite pro-eutectoide) et/ou conjointement @ac la cémen- tite sous la forme de perlite ou de bainite. Oare la fer- rite pro-eutectolde, dont la quantité dépend de la composi- tion chimique et dela vitesse de refroidisseme@, la strc- ture la plus intéressante (pour la production @e fil) contient un maximum de fine perlite.
La perlite est en stituée de pla- quettes ou de lamelles de cémentite et de ferate; la dis- tance entre les plaquettes ou lamelles désige sous l'appel- lation de "espace interlamellaire de la perlit(n et l'épais- seur des plaquettes varient selon la températu" à laquelle elles sont formées. Il est idéalement ouhaita@le que la perlite présente une finesse uniforme dans tout\' la section de la barre ou du fil, après le patentage.
Après le traitement thermique, la barre ou le fil est nettoyé et enrobé, de façon à le munir d'une s'.rface convenant pour le traitement final consistant à l'ét@á rer dans une filière ou une série de filières. Le procées d'éti- rage réduit la section transversale et augmente la résistance à la traction du métal par un mécanisme dénommé trempe d'uei- nage. L'augmentation de la résistance à la traction est en relation avec la réduction de la section au cours de l'éti- rage et la limite jusqu'à laquelle la ré duction peut s'effec- tuer et, par conséquent, la résistance à la traction.finale sont, en partie, fonction de la qualité du traitement ther- mique antérieur.
La présente invention concerne, dans un de ses aspects, une barre d'acier "patentée" convenant pour la production d'un fil d'acier aynt une résistance améliorée à la traction, en comparaison du fil d'acier au carbone
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normal, cette barre d'acier étant constitué d'un alliage contenant, en poids
Carbone 0,25 - 1,2 %
Silicium 0,1 - 0,35 %
Soufre 0,5 % max.
Phophore 0,05 % max.
Manganèse 1.5 % max.
Molybdène 0,02 - 0,30 %
Restant : fer et matières résiduaires normales.
Les matières résiduaires normales peuvent être pour certains métaux :
Nickel 0,4 % max.
Chrome 0,3 % max.
Etain 0,05 % max.
Cuivre 0,3 % max.
L'invention concerne aussi un fil d'acier "patenté" obtenu à partir de cette barre.
L'invention est décrite davantage dans.la suite du présent mémoire' en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : - la figure 1 est un diagramme de transformation isothermique pour un acier au carbone normal - la figure 2 est un schéma indiquant la relation entre la dureté et la distance dans la section transversale d'une barre ;
la figure 3 montre la relation entre la résistance à la traction et la réduction de la section transversale pour un fil en cours d'étirage - la figure 4 est un diagramme de transformation isothermique pour un alliage d'acier au carbone contenant
0,52 % de molybdène, et
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* la figure 5 est un diagramme de transformation isothermiques pour un acier à 0,77 % de carbone auquel on a ajouté 0,15 % en poids de molybdène.
A la figure 1, les températures en degrés centigrades sont données en ordonnée et le temps en secondes est donné en abscisse.
La courbe x représente le début de la transforma- tion en austénite et la courbe y représente la fin de la transformation en austénite.
La courbe A est une courbe de refroidissement idéal, dans le cas où la matière est refroidie jusqu'à la tempéra- ture de transformation désirée avant que celle-ci ne commence en fait à se manifester et où la transformation'de l'austénite en perlite s'opère à une température constante, ce qui permet d'obtenir une structure parfaitement uniforme dans toute la section traitée thermiquement (transformation isothermique).
Avec les aciers au carbone normaux, ce résultat n'est pas facile à atteindre, parce qu'il est très difficile de refroidir toutes les parties de la section transversale, en particulier dans les barres pour fils de calibres élevés, jusqu'à la température voulue avant que la transformation commence, en raison du fait que la durée qui s'écoule avant le début de la transformation, c'est-à-dire la période d'in- cubation, est très courte à la température à laquelle il se forme une structure perlitique appropriée. La vitesse de refroidissement d'une barre épaisse ou d'un fil épais varie dans la section transversale, cette vitesse étant plus lente au centre qu'à l'extérieur.
Cette vitesse de refroidissement est, par conséquent, trop lente pour permettre à toute la section d'atteindre la température de.transformation désirée, avant que commence la transformation.
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Le refroidissement, dans ces conditions, peut être représente sur le diagramme de la figure 1 par la courbe B ; on voit ainsi que la transformation s'opère dans une gamme de températures et que, par conséquent, des perlit;es avec des espaces interlamellaires différents se forment dans la section.
En conséquence, la dureté et la résistance à la traction varient dans la section.
La variation de dureté pour un fil d'un diamètre de 5,54 mm en acier au carbone normal est montrée par la courbe V à la figure 2, où la dureté est indiquée en ordonnée et la distance dans la section transversale(en millimètres en abscisse.
Une autre limitation existe en ce qui concerne le traitement thermique (patentage), en ce sens qu'il est nécessaire que la transformation d'austénite en perlite soit. complète, avant que l'acier sorte du bain de refroidissement fondu. On peut voir, en considérant la figure 1, que la transformation est terminée en 5 à 10 secondes à 550 C pour des aciers au carbone normaux et que des vitesses de traitement élevées peuvent être obtenues.
Des additions de molybdène à de l'acier au carbone normal augmentent la période d'incubation et également la durée nécessaire pour la transformation d'austénite en per- lite. Ainsi, une addition de seulement 0,52 % de molybdène à un acier à 0,77 % de carbone donne les courbes montrées à la figure 4, où les températures en degrés centigrades sont données en ordonnée et le temps en secondes en abscisse.
Le temps nécessaire pour que la t@ansformation d'austénite en perlite soit complète à 550 C es;, de plusieurs heures et un temps de transformation aussi long rend le traitement thermique contirlu de ce type de matière entièrement inadéquat par des techniques classiques.
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Cependant, la demanderesse a cortaté que grâce à des additions réglées extrêmement petites de molybdène (à raison de 0,02 à 0,30 % en poids) il est passible d'augmenter la période d'incubation dans une mesure suffisante pour assu- rer une transformation isothermique dans des barres et fils ayant une grande épaisseur ou grosseur, de lanière 1 obtenir une structure de perlite uniforme dans toute la section de la matière, par opposition à la structure hésérogène obtenue avec l'acier au carbone normal, tout en mainttnant la durée de transformation d'austénite en perlite suif. amment faible pour permettre un travail en continu.
Ainsi, la figure 5 montre le diagramme de transfor- mation isothermique pour un acier à 0,77 % de caiione auquel on a ajouté 0,15 de molybdène en poids. A 18 figure 5, la température en degrés centigrades est indiquée en oionnée et le temps en secondes en abscisse.
Pour illustrer l'amélioration obtenue, on a @abriqué une barre d'un diamètre de 5,54 mm en utilisant le même cier au carbone que celui utilisé pour la courbe V de la figure 2, mais en ajoutant à cet acier 0,1 % en poids de molybdène.
La'barre a été soumise au même traitement thermiq@ de patentage que la barre précédente et une coupe transversa à été pratiquée dans cette barre. La dureté de l'acier dans cette coupe a été détermihée. Les résultats obtenus sont indiqués par la courbe W à la figure 2. La microstructure s'est révélée uniforme, en ce qui concerne l'espace interla- mellaire de perlite dans toute la section.
La résistance la traction de la barre a augmenté, comme on a pu le constater, de 10 tonnes/pouce carré, en comparaison de celle de la barre d'acier au carbone normal.
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Une autre limitation de la résistance à la traction que l'on peut obtenir est en relation avec la vitesse de trempe à l'usinage et avec le degré auquel la barre ou le fil peut être étiré.
La vitesse de trempe est commandée par la composi- tion chimique de la microstructure. Dans les aciers au carbone normaux,le facteur variable le plus important, en ce qui concerne la composition, est la teneur en carbone et la vitesse de trempe ou de durcissement à l'usinage augmente à mesure que croît la teneur en carbone. Cette particularité est pleinement utilisée dans la production, d'acier. Bien que l'on puisse faire varier la microstructure, pour obtenir des différences dans la vitesse de durcissement à l'usinage, d'autres considérations limitent la microstructure à un certain type, en sorte que ce facteur ne constitue, en pra- tique, pas un facteur variable à cet égard.
Le degré auquel la barre ou le fil peut être étiré dépend très fortement de la microstructure, une structure parfaitement uniforme étant optimale. Les limitations actuel- les en ce qui concerne l'uniformité de l'acier au carbone normal un déjà été discutées.
La courbe s de la figure 3 indique la mesure dans laquelle il a été possible d'étirer à froid la barre d'un diamètre de 5,54 mm en acier au carbone normal utilisée pour la courbe V de la figure 1. A la figure 3, la réduction en pour cent de la surface ou section est indiquée en abscisse, tandis que la résistance à la traction en tonnes/pouce carré est indiquée en ordonnée.
La barre d'acier contenant l'addition de 0,1 % de molybdène a été également étirée à froid, pour donner la courbe t de la figure 3, qui montre que cette matière a pu
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et!** étirée dans une plut forte mesure que la barre en acier au carbone normale ' @
On voit ainsi que cette très faible addition de molybdène à un acier au carbone sensiblement normal est bénéfique à deux égards ;
(a) elle permet d'obtenir une résistance à la trac- tion plus élevée après le traitement thermique de patentage ; (b) elle permet d'obtenir une plus grande augmenta- tion de résistance, cette augmentation étant supérieure à la normale, par suite d'une capacité plue grande de trempe ou de durcissement à l'usi- nage.
Bien que les propriétés améliorées dont il est ques- tion dans le présent mémoire soient en relation avec de peti- tes addition. de molybdène seulement, il est à noter que des améliorations peuvent aussi être obtenues par des additions réglées de molybdène avec du nickel et/ou du chrome.
REVENDICATIONS
1.- Barre d'acier "patentée" convenant pour la produc- tion d'un fil d'acier à résistance améliorée à la traction, en comparaison de celle d'un fil d'acier au carbone normal, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un alliage contenant, en poids
Carbone 0,25 - 1,2
Silicium 0,1 - 0,35 %
Soufre 0,5 % max.
Phosphore 0,05 % max.
Manganèse 1,5 % max.
Molybdène 0,02 - 0,30 %
Restant :: for et matières résiduaires normales.
2.- Fil obtenu par étirage de la barre suivant la @ J @
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The present invention relates to a steel bar and to a steel wire obtained therefrom, more particularly using alloys suitable for the production of steel wire by "patenting" or "patenting" processes. patenting "and wire drawing.
The "patented" steel wire is obtained by a combination of procedures involving a preliminary heat treatment, followed by cold machining, by drawing in dies.
Heat treatment is known as "patenting" and, in the conventional process, the steel wire or bar is continuously passed through a heating zone (for example by passing through a furnace. heated by electricity or gas or between electrical contacts, so that heating is by electrical resistance), after which the bar or wire is cooled in air or in a liquid cooling medium, such as molten lead or a mixture of salts maintained at a specific intermediate temperature, which depends on the composition of the steel to be treated.
During heating, the steel is brought to a temperature above its upper critical temperature (Ac) and conversion to austenite occurs.
Upon cooling in air or in a liquid cooling medium, austenite transforms into other constituents, the nature of which depends critically on the temperature at which the transformation takes place. In the normal "patenting" process, the constituents
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formed are ferrite (almost pure iron) and cementite (iron carbide), the ferrite existing as such (pro-eutectoid ferrite) and / or together with the cementite in the form of perlite or bainite. Because of the pro-eutectic fer- rite, the amount of which depends on the chemical composition and the cooling rate, the most interesting structure (for yarn production) contains a maximum of fine pearlite.
Perlite is made up of platelets or lamellae of cementite and ferate; the distance between the platelets or lamellae is referred to as the "interlamellar space of the perlit (the size and thickness of the platelets vary according to the temperature" at which they are formed. It is ideally ouhaita @ le that the perlite exhibits a uniform fineness throughout the section of the bar or wire, after patenting.
After the heat treatment, the bar or wire is cleaned and coated, so as to provide it with a surface suitable for the final treatment consisting of etching in a die or series of dies. The stretching process reduces the cross section and increases the tensile strength of the metal by a mechanism called quenching. The increase in tensile strength is related to the reduction of the section during stretching and the limit up to which the reduction can take place and, consequently, the resistance to the final traction is, in part, a function of the quality of the previous heat treatment.
The present invention relates, in one aspect, to a "patented" steel bar suitable for the production of steel wire with improved tensile strength, as compared to carbon steel wire.
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normal, this steel bar being made of an alloy containing, by weight
Carbon 0.25 - 1.2%
Silicon 0.1 - 0.35%
Sulfur 0.5% max.
Phophore 0.05% max.
Manganese 1.5% max.
Molybdenum 0.02 - 0.30%
Remaining: iron and normal waste.
Normal residual materials can be for some metals:
Nickel 0.4% max.
Chromium 0.3% max.
Tin 0.05% max.
Copper 0.3% max.
The invention also relates to a "patented" steel wire obtained from this bar.
The invention is described further in the remainder of this specification with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is an isothermal transformation diagram for a normal carbon steel - Figure 2 is a diagram indicating the relationship between hardness and distance in the cross section of a bar;
Figure 3 shows the relationship between tensile strength and cross-section reduction for a wire being drawn - Figure 4 is an isothermal transformation diagram for a carbon steel alloy containing
0.52% molybdenum, and
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* Figure 5 is an isothermal transformation diagram for a 0.77% carbon steel to which 0.15% by weight of molybdenum has been added.
In Figure 1, the temperatures in degrees centigrade are given on the ordinate and the time in seconds is given on the abscissa.
The x curve represents the start of the transformation to austenite and the y curve represents the end of the transformation to austenite.
Curve A is an ideal cooling curve, in the case where the material is cooled to the desired transformation temperature before it actually begins to occur and the transformation of austenite into perlite operates at a constant temperature, which makes it possible to obtain a perfectly uniform structure throughout the heat-treated section (isothermal transformation).
With normal carbon steels this result is not easy to achieve, because it is very difficult to cool all parts of the cross section, especially in bars for high gauge wires, to the temperature. desired before transformation begins, due to the fact that the time elapsing before transformation begins, i.e. the incubation period, is very short at the temperature at which it is forms an appropriate pearlite structure. The cooling rate of a thick bar or thick wire varies in the cross section, this rate being slower in the center than on the outside.
This cooling rate is, therefore, too slow to allow the entire section to reach the desired processing temperature, before processing begins.
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The cooling, under these conditions, can be represented in the diagram of FIG. 1 by curve B; it is thus seen that the transformation takes place in a range of temperatures and that, consequently, pearls with different interlamellar spaces are formed in the section.
As a result, hardness and tensile strength vary across the section.
The variation in hardness for a wire with a diameter of 5.54 mm in normal carbon steel is shown by curve V in Figure 2, where the hardness is indicated on the y-axis and the distance in the cross-section (in millimeters in abscissa.
Another limitation exists with regard to heat treatment (patenting), in that it is necessary that the transformation of austenite into perlite be. complete, before the steel exits the molten cooling bath. It can be seen from Fig. 1 that the transformation is complete in 5-10 seconds at 550 ° C for normal carbon steels and that high processing rates can be obtained.
Additions of molybdenum to normal carbon steel increase the incubation period and also the time required for the transformation of austenite to pearlite. Thus, an addition of only 0.52% molybdenum to a 0.77% carbon steel gives the curves shown in Figure 4, where temperatures in degrees centigrade are given on the ordinate and time in seconds on the abscissa.
The time required for the transformation of austenite to perlite to be complete at 550 ° C, several hours and such a long transformation time makes continuous heat treatment of this type of material entirely inadequate by conventional techniques.
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However, the Applicant has determined that by virtue of extremely small controlled additions of molybdenum (in an amount of 0.02 to 0.30% by weight) it is liable to increase the incubation period to a sufficient extent to ensure an isothermal transformation in bars and wires having a great thickness or thickness, from strip 1 to obtain a uniform perlite structure throughout the section of the material, as opposed to the heserogenic structure obtained with normal carbon steel, while maintaining the duration of transformation of austenite into tallow perlite. low amment to allow continuous work.
Thus, Figure 5 shows the isothermal transformation diagram for a 0.77% calion steel to which 0.15 molybdenum by weight has been added. In FIG. 5, the temperature in degrees centigrade is indicated on the axis and the time in seconds on the abscissa.
To illustrate the improvement obtained, a bar with a diameter of 5.54 mm was made using the same carbon steel as that used for the V curve in figure 2, but adding 0.1 to this steel. % by weight of molybdenum.
The bar was subjected to the same patenting heat treatment as the previous bar and a cross section was made in this bar. The hardness of the steel in this section was determined. The results obtained are shown by curve W in Figure 2. The microstructure was found to be uniform, with respect to the perlite interlayer space throughout the section.
The tensile strength of the bar has increased, as can be seen, by 10 tons / square inch, compared to that of the normal carbon steel bar.
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Another limitation of the tensile strength that can be obtained relates to the rate of quenching in machining and the degree to which the bar or wire can be drawn.
The rate of quenching is controlled by the chemical composition of the microstructure. In normal carbon steels, the most important variable factor in composition is the carbon content, and the rate of quenching or machining hardening increases as the carbon content increases. This feature is fully utilized in the production of steel. Although the microstructure can be varied, to achieve differences in the rate of machining hardening, other considerations limit the microstructure to a certain type so that this factor does not in practice constitute not a variable factor in this regard.
The degree to which the bar or wire can be stretched is very strongly dependent on the microstructure, with a perfectly uniform structure being optimal. The current limitations in the uniformity of normal carbon steel have already been discussed.
The curve s in figure 3 indicates the extent to which it was possible to cold draw the bar with a diameter of 5.54 mm in normal carbon steel used for the V curve of figure 1. In figure 3, the percent reduction of the area or section is shown on the abscissa, while the tensile strength in tons / square inch is shown on the ordinate.
The steel bar containing the addition of 0.1% molybdenum was also cold drawn, to give the t curve of Figure 3, which shows that this material could
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and! ** stretched to a greater extent than the normal carbon steel bar '@
It can thus be seen that this very small addition of molybdenum to a substantially normal carbon steel is beneficial in two respects;
(a) it achieves higher tensile strength after the patenting heat treatment; (b) it provides a greater increase in strength, this increase being greater than normal, as a result of greater quenching or machining hardening ability.
Although the improved properties discussed herein relate to small addition. of molybdenum only, it should be noted that improvements can also be obtained by controlled additions of molybdenum with nickel and / or chromium.
CLAIMS
1.- "Patented" steel bar suitable for the production of steel wire with improved tensile strength, as compared to that of normal carbon steel wire, characterized in that it is made of an alloy containing, by weight
Carbon 0.25 - 1.2
Silicon 0.1 - 0.35%
Sulfur 0.5% max.
Phosphorus 0.05% max.
Manganese 1.5% max.
Molybdenum 0.02 - 0.30%
Remaining :: for and normal waste.
2.- Thread obtained by drawing the bar along @ J @