CA2020595C - Menufacturing process of treated steel parts - Google Patents
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Abstract
Description
~0~9~9~
La prësente invention se rapporte â un procédé
de fabrication de pièces à hautes caractéristiques mêcani-ques à partir d'acier non traité, comprenant une succession d'opérations de traitement thermique et de formage.
Les procédés classiques de fabrication de piéces en acier traité à partir d'acier non traité en barres, en bandes ou en couronnes, par exemple de ressorts, de barres stabilisatrices, d'attaches élastiques de rails de chemin de fer, comprennent un grand nombre d'opérations.
A titre d' exemple, on va donner ci-après les diffërentes opêrations successives d'un procédë classique de fabrication de ressort s - dévidage des couronnes, dressage, écroutage et rectificâtion, - chauffage d°austênitisation dans un four à
atmosphère, - formage à chaud, - trempe à l'huile, - revenu dans un four, - refroidissement, - blocage, refroidissement à la tempêrature ambiante, - grenaillage. de précontrainte, - revenu après grenaillage, - protection Zpeinture ou plastification), - cuisson ou réticulation, - refroidissement à la tempërature ambiante, - contrôle.
Ce procédé classique comprend en particulier un grand nombre de phases de variation de tempërature dont chacune implique des dépenses d'ênergie considërables et ~~2~~9~
des installations coûteuses. Le formage â chaud et la trempe à l'huile sont par ailleurs des opërations qui ont lieu dans des conditions de travail et de sécuritë diffi-ciles. Enfin la trempe à l'huile est une opération généra-trice de pollution par le dégagement de fumées et de vapeurs nocives et par le lavage auxquels les pièces doivent ètre soumises à la suite de la trempe à l'huile.
Le procédé dëcrit dans le brevet français No. ~ 0 ~ 9 ~ 9 ~
The present invention relates to a method manufacturing parts with high mechanical characteristics from untreated steel, comprising a succession heat treatment and forming operations.
Conventional methods of manufacturing steel parts treated from untreated steel in bars, strips or rings, for example of springs, stabilizer bars, elastic rail fasteners railway, include a large number of operations.
As an example, we will give below the different successive operations of a classic process spring manufacturing s - unwinding of crowns, dressing, peeling and rectification, - Austenitization heating in a atmosphere, - hot forming, - oil quenching, - returned to an oven, - cooling, - blocking, cooling to room temperature, - shot blasting. prestressing, - income after shot blasting, - Zpaint or plastic protection), - baking or crosslinking, - cooling to room temperature, - control.
This classic process includes in particular a large number of temperature variation phases including each involves considerable energy expenditure and ~~ 2 ~~ 9 ~
expensive installations. Hot forming and oil quenching are also operations that have place in difficult working and safety conditions eyelashes. Finally, oil quenching is a general operation.
pollution by the release of smoke and noxious and washing vapors to which the parts must be submitted after oil quenching.
The process described in French patent No.
2.391.789 remédie déjà partiellement aux inconvénients ênumërés ci-dessus. Ce procêdé destinë notamment à la fabrication d'attaches de rails comprend les êtapes suivantes:
- formage ou prëformage à froid des pièces, - chauffage d°austênitisation des pièces, de prëférerce dans un bain â lit fluidisé ou par induction, - trempe des pièces dans un bain à lit fluidisë, revenu des pièces de prêférence dans un bain â lit fluidisé, - grenaillage, - éventuellement formage final à froid des piêces, - protection.
Toutefois. ce procêdé connu présente encore un certain nombre d'inconvénients. En particulier, il implique deux opérations de montëe en température (chauffage d'austénitisation avant trempe, revenu après trempe). Par ailleurs, du fait que les pièces subissent un formage ou au ~~j0~~
moins un préformage à froid, avant tout chauffage, il est impossible d'effectuer ce chauffage sur du matériau continu, par exemple en bande.
La présente invention a pour objet un procêdé
de fabrication de pièces en acier traité permettant de rëaliser à moindre coût des pièces de qualitë équivalente voire supérieure à celle obtenue par les procëdês usuels.
Le procédé conforme à l'invention de fabrica tion de piêces à partir d'acier non traitë comprend les opêrations successives suivantes:
a) chauffage d'austénitisation de l'acier à
une tempërature supérieure au point de transformation;
b) trempe isotherme dans un bain à lit fluidisë, immédiatement à la suite du chauffage d'austénitisation donnant à
l'acier une structure bainitique; et c) formage des pièces à tiède.
Contrairement à un préjugé selon lequel seul un formage après chauffage d'austénitisation et trempe martensitique, permettait d'obtenir des pièces â hautes caractêristiques, il s'est avéré de façon surprenante que les pièces obtenues par formage à tiède après trempe isotherme (structure bainitique) présentaient des caracté
ristiques mécaniques et géométriques (notamment tenue en fatigue; corrosion sous tension, précision, tolérances plus étroites) nettement améliorées.
Dans le cadre de l'invention, le chauffage d'austênitisation peut se faire avantageusement en bain à
lit fluidisé ou par induction, sur des produits continus (bandes, couronnes) ou sur des flans ou des lopins. I1 est 2,391,789 already partially remedies the disadvantages listed above. This process intended in particular for the rail fastener manufacturing includes steps following:
- cold forming or preforming of parts, - heating of austenitization of rooms, preferably in a fluidized bed bath or by induction, - soaking parts in a bed bath fluidized, income of preference pieces in a fluidized bed bath, - shot blasting, - possibly final cold forming of rooms, - protection.
However. this known process still presents a a number of drawbacks. In particular, it involves two temperature rise operations (heating austenitization before quenching, returned after quenching). Through elsewhere, because the parts undergo forming or at ~~ j0 ~~
minus a cold preforming, before any heating, it is impossible to heat on material continuous, for example in strip.
The subject of the present invention is a method manufacturing of treated steel parts allowing produce parts of equivalent quality at lower cost or even higher than that obtained by the usual processes.
The process according to the invention of fabrica tion of parts from untreated steel includes the following successive operations:
a) heating of austenitization of the steel to a temperature above the point of transformation;
b) isothermal quenching in a bed bath fluidized, immediately following austenitization heating giving steel a bainitic structure; and c) forming warm parts.
Contrary to the prejudice that only forming after austenitization heating and quenching martensitic, allowed to obtain pieces with high surprisingly, it turned out that parts obtained by lukewarm forming after quenching isothermal (bainitic structure) had characteristics mechanical and geometric ristics (particularly tired; corrosion under tension, precision, tolerances more narrow) markedly improved.
In the context of the invention, the heating austenitization can be done advantageously in a bath fluidized or induction bed, on continuous products (bands, crowns) or on blanks or plots. I1 is
- 3 -ê
galement possible, dans le cadre de l'invention, de procêder à un préformage à froid, avant chauffage d'austé-nitisation, pour donner aux pièces une forme différente de leur forme dêfinitive, auquel cas le formage à tiède effectuë après chauffage d'austênitisation et trempe isotherme est destiné surtout à conférer aux pièces une gêométrie plus précise et des caractéristiques mécaniques plus élevëes (traitement thermomécanique à tiède tel que blocage dans le cas de ressorts).
Enfin, à la suite du formage à tiède, il est possible de procéder, dans le cadre de l'invention, sans nouvelle montëe en température des pièces, à un grenaillage de précontrainte à tiède et â une protection à tiède (peinture avec cuisson, plastification), en bênéficiant de la chaleur résiduelle des pièces.
Les nombreux avantages du procëdé conforme à
l'invention peuvent être classés comme suit:
ECONOMIE D'ENERGIE
Le procédé classique de formage à chaud avant trempe nëcessite un chauffage des pièces dans leur totalité
à une tempêrature nettement supérieure au point de trans formation pour tenir compte du refroidissement que les pièces subissent pendant l'opération de forrnage à chaud et pendant les transferts.
bans le procédê conforme à l'invention, du fait que l'opêration de trempe (qui donne à l'acier une structure bainitique) fait immêdiatement suite â l'opéra-tion de chauffe d'austênitisation, les pertes de chaleur sont très faibles et la température de chauffage plus basse, puisqu'elle sert uniquement à rëaliser la trempe. - 3 -ê
also possible, in the context of the invention, to carry out a cold preforming, before aust heating nitization, to give the pieces a different shape from their final form, in which case lukewarm forming performed after austenitization heating and quenching isotherm is mainly intended to give rooms a more precise geometry and mechanical characteristics higher (thermomechanical warm treatment such as blocking in the case of springs).
Finally, after lukewarm forming, it is possible to proceed, within the framework of the invention, without new rise in temperature of the parts, at shot peening lukewarm pretension and lukewarm protection (painting with baking, plasticizing), benefiting from the residual heat of the rooms.
The many advantages of the process according to the invention can be classified as follows:
ENERGY SAVING
The classic hot forming process before quenching requires heating of the whole parts at a temperature significantly higher than the trans point training to account for the cooling that the parts undergo during hot forming operation and during transfers.
in the process according to the invention, causes the quenching operation (which gives the steel a bainitic structure) immediately following the opera-austenitization heating, heat losses are very low and the heating temperature higher low, since it only serves to achieve quenching.
- 4 -202~5~
Suivant le procêdê conforme à l'invention, il n'est d'ailleurs nëcessaire que de chauffer, donc de traiter la partie travaillante du métal, ce qui constitue un gain supplémentaire d'ênergie.
Il est à noter que dans ce cas, la partie non traitêe du métal joue un rôle complémentaire pour la trempe et la suite des opérations, par diffusion de chaleur.
Le choix du chauffage par induction ou en lit fluidisê permet de rëaliser les échanges thermiques dans des espaces réduits, ce qui diminue sensiblement les pertes de l'installation en fonctionnement et les temps de dëmarrage et d'arrêt de l'installation, donc les pertes qui en dëcoulent. Le remplacement de la trempe à l'huile par une trempe en lit fluidisé~ supprime la nëcessitê d'aspirer des fumëes d'huile et celles de laver et de sécher les pièces. En plus de l'ënergie que consomment ces opêrations, on économise suivant l'invention le complëment de chauffage nêcessaire pour compenser les pertes dues aux opêrations de la trempe à l'huile et du lavage.
Le remplacement des deux opérations de trempe et de revenu des procédës usuels par la trempe isotherme permet d'autres importantes ëconomies d'ënergie. Ainsi, l'énergie pour amener la pièce à la température de revenu est supprimëe. Le temps de maintien â la température de trempe isotherme reprêsente moins de la moitié du temps de maintien à la température de revenu suivant les procédés usuels. La plus grande partie de l'énergie induite lors de l'austénitisation est restituée dans le bain fluidisé de trempe isotherme, ce qui permet de rêutiliser cette énergie par exemple pour le chauffage des bàtiments. - 4 -202 ~ 5 ~
According to the process according to the invention, it is only necessary to heat, therefore treat the working part of the metal, which constitutes an additional energy gain.
It should be noted that in this case, the part not metal processing plays a complementary role for quenching and the rest of the operations, by heat diffusion.
The choice of induction or bed heating fluidized makes it possible to carry out heat exchanges in reduced spaces, which significantly reduces losses of the installation in operation and the times of starting and stopping the installation, therefore the losses which resulting. The replacement of oil quenching by fluidized bed quenching ~ eliminates the need to vacuum fumes of oil and those of washing and drying the rooms. In addition to the energy consumed by these operations, according to the invention, the heating complement is saved necessary to compensate for the losses due to the operations of oil quenching and washing.
Replacement of the two quenching operations and of income from the usual procedures by isothermal quenching allows other important energy savings. So, energy to bring the room to tempering temperature is deleted. The holding time at the temperature of isothermal quenching represents less than half the time maintenance at tempering temperature according to the procedures usual. Most of the energy induced during the austenitization is restored in the fluidized bath of isothermal quenching, which allows this energy to be reused for example for heating buildings.
- 5 -~0~0~~
Au sortir de la trempe isotherme, les pièces â
structure bainitique sont à une température supêrieure au point de martensite, soit à une tempërature de l'ordre de 280-350°~ selon les nuances d°acier, et l'énergie résiduel-le qu'elles contiennent peut être utilisêe au fur et à
mesure des opérations suivantes effectuës à tiêde (formage, blocage, précontrainte, grenaillage, protection).
Le procédé conforme à l'invention permet ainsi de récupérer la majeure partie de 1°énergie apportêe lors de l'austénitisation.
AMELIORATION DE LA QUALITE DU PRODUIT
Le formage â tiède confère aux pièces une meilleure prêcision et augmente les caractéristiques mécaniques du produit fini en favorisant notablement le blocage des dislobations induites au cours du formage, en raison notamment de 1°augmentation de la mobilité des atomes de carbone liée à la température. Le chauffage rapide suivi de la trempe isotherme supprime tout risque de dëcarburation.
Les opérations successives du procédé conforme à l'invention sont effectuées dans un ordre prêcis permet-tant de bénéficier au maximum de l'énergie emmagasinée dans la matière. Le choix de la température pour chaque opéra-tion vise à optimiser les effets bénêfiques notamment sur un plan métallurgique pour le grenaillage de précontrainte et la prêconformation (ou blocage), et sur le plan électro-chimique pour la protection anticorrosion. En effet, contrairement aux procêdês usuels, le procédé conforme à
l'invention ne nécessite pas la formation d'une couche dite d'accrochage obtenue génêralement par combinaison chimique - 5 -~ 0 ~ 0 ~~
At the end of the isothermal quenching, the parts â
bainitic structure are at a temperature higher than point of martensite, either at a temperature of the order of 280-350 ° ~ depending on the steel grades, and the residual energy-what they contain can be used as and when measurement of the following operations carried out warm (forming, blocking, prestressing, shot blasting, protection).
The process according to the invention thus allows recover most of the 1st energy supplied during of austenitization.
IMPROVED PRODUCT QUALITY
Warm forming gives the pieces a better accuracy and increases characteristics mechanical effects of the finished product, notably promoting blocking of dislobations induced during forming, in due in particular to 1 ° increase in mobility of carbon atoms linked to temperature. Heating rapid monitoring of isothermal quenching eliminates any risk of decarburization.
Successive operations of the conforming process to the invention are carried out in a precise order allowing so much to make the most of the energy stored in matter. The choice of temperature for each operation tion aims to optimize the beneficial effects especially on a metallurgical plan for shot peening and preconformation (or blocking), and on the electro-chemical for corrosion protection. Indeed, unlike the usual processes, the process conforms to the invention does not require the formation of a so-called layer attachment generally obtained by chemical combination
- 6 -~J2~~9 (phosphatation) avec le métal à protéger, la formation de .
cette couche d'accrochage entra3nant une diminution des caractéristiques mécaniques superficielles des pièces.
La suppression de l'opération de trempe à
l'huile et son remplacement par une trempe en bain à lit fluidisé économisent la consommation de produits pêtroliers comme l'huile de trempe et les produits et l'eau de lavage.
Dans la mesure où le procédé conforme à l'invention procure des pièces de meilleure qualité, il permet de réduire la quantité de matiêre nêcessaire à une même fonction. D°un autre côté, il est possible d'utiliser, suivant l'inven-fion, des aciers moins alliês pour obtenir des piêces ayant des caractêristiques comparables.
La- pôssibilitê d'utiliser le métal brut de laminage et en couronnes entraine une réduction importante des pertes de matière et du prix de la matière premiêre.
ECONOMIE DE SURFACE ET D'INVESTISSEMENT
Le procédé conforme à l'invention réduit le nombre des opérations notamment de montée en température et les temps de maintien en tempërature. Les installations nécessaires pour la mise en oeuvre du procédé sont donc de dimensions rëduites.
A titre d'exemple, les investissements et la surface nécessaire pour une installation utilisant le procëdé conforme â l'invention, comparativement à une installation classique pour produire des ressorts de suspension de vëhicules automobiles, sont divisës par un facteur d'environ cinq.
2~~0~9~
AMELIORATION DE FLEXIBILITE DE L'INSTALLATION
Le procédë conforme à l'invention permet de réduire considêrablement les encours de fabrication. Ainsi, pour une production de 600 ressorts de suspension à
l'heure, l'encours n'est que de 40 ressorts pour le procêdé
conforme à l'invention, alors qu'il est de 1200 dans le procêdê classique. Quelques minutes suffisent pour vider de ses pièces l'installation pour la mise en oeuvre du procédê
conforme à l'invention.
AMELIORATION DES CONDITIONS DE TRAVAIL ET DE SECURITE
Grâce à la suppression de la trempe à 1 ° huile et gràce au formage à tiède, le procédé conforme à l'inven-tion supprime toutes les fumëes et vapeurs nocives et rend le travail beaucoup moins pénible.
~â propreté des installations pour la mise en oeuvre du procédé conforme à 1"invention et leurs dimen-sions réduites procurent une qualité d'ambiance de travail et une productivité de loin supérieure à celles du procédé
classique.
DIMINUTION DE LA POLLUTION
Le procédê confox'me à l'invention supprime tous les rejets (fumées, vapeurs, produits de lavage, etc.) du procédê usuel de formage à chaud et de trempe à l'huile.
On va décrire ci-après la succession des opêrations, avec indication des températures et des temps nëcessaires, pour un procédê classique de fabrication de ressorts et, à titre de comparaison, un exemple du procédé
conforme à l'invention pour la fabrication de ressorts de caractéristiques comparables destinés aux suspensions de véhicules automobiles.
_ g _ PROCEDE CLASSIQUE
Suite des opérations Température Temps 1 - dëvidage coils 2 - dressage coupe 3 - ëcroutage rectification 4 - chauffage dans four à atmosphère 950° 15' - formage à chaud supérieur 800°
6 - trempe à l'huile (refroidissement) 50°
~ - revenu dans four 450° 60' 8 - refroidissement 250°
9 - blocage ou précontrainte ou prêconformatiori 250°
10 - refroidissement à témpêrature ambiarfté env. 20°
11 - grenaillage de précontrainte 12 - revenu après grenaillage environ 220°
13 - peinture protection 14 - cuisson peinture env. 200°
15 - refroidissement à température ambiante env. 20°
16 - contrôle repérage _ g _ ~~~Q~~
PROCEDE CONFORME A L'INVENTION
ACIER 55 C3 ou 50 CV4 Suite des opérations Température Temps 1 - dêvidage couronnes 2 - chauffage (induction ou lit fluidisé) env. 850° 15' 3 - trempe isotherme (refroi-dissement) env. 320° 15' 4 - formage à tiède 300°
5 - blocage précontrainte à tiède et contrôle 280°
6'- grenaillage de précontrainte 260° - 6 -~ D2 ~~ 9 (phosphating) with the metal to be protected, the formation of.
this bonding layer resulting in a decrease in surface mechanical characteristics of the parts.
SAVING MATERIALS
The elimination of the quenching operation at oil and its replacement by quenching in a bed bath fluidized save the consumption of petroleum products such as quench oil and washing products and water.
Insofar as the process according to the invention provides better quality parts, it reduces the amount of material needed for the same function. Of a on the other hand, depending on the invention, it is possible to use fion, less alloyed steels to obtain parts having comparable characteristics.
The possibility of using the raw metal of rolling and crowning results in a significant reduction losses of material and the price of the raw material.
SURFACE AND INVESTMENT SAVINGS
The process according to the invention reduces the number of operations, notably temperature rise and the holding times. The installations necessary for the implementation of the process are therefore reduced dimensions.
For example, investments and surface required for an installation using the process according to the invention, compared to a conventional installation for producing springs of suspension of motor vehicles, are divided by a factor of about five.
2 ~~ 0 ~ 9 ~
IMPROVED FLEXIBILITY OF THE INSTALLATION
The process according to the invention makes it possible to considerably reduce work in progress. So, for a production of 600 suspension springs at per hour, the outstanding amount is only 40 springs for the process according to the invention, while it is 1,200 in the classic process. A few minutes are enough to empty its parts the installation for the implementation of the procedure according to the invention.
IMPROVING WORKING AND SAFETY CONDITIONS
Thanks to the elimination of 1 ° oil quenching and thanks to lukewarm forming, the process according to the invention tion removes all harmful fumes and vapors and makes much less strenuous work.
~ cleanliness of the facilities for setting work of the process according to the invention and their dimensions reduced sions provide a quality working atmosphere and far higher productivity than the process classic.
POLLUTION REDUCTION
The process confox'me to the invention removes all releases (fumes, vapors, detergents, etc.) the usual hot forming and oil quenching procedure.
We will describe below the succession of operations, with indication of temperatures and times necessary, for a conventional method of manufacturing springs and, for comparison, an example of the process according to the invention for the manufacture of springs comparable characteristics intended for suspensions of motor vehicles.
_ g _ CLASSIC PROCESS
Continuation of operations Temperature Time 1 - coils unwinding 2 - dressage cut 3 - grinding rectification 4 - heating in an atmosphere oven 950 ° 15 ' - hot forming greater than 800 °
6 - oil quenching (cooling) 50 °
~ - tempering in oven 450 ° 60 ' 8 - 250 ° cooling 9 - blocking or prestressing or pre-configuration 250 °
10 - temperature cooling ambiarft approx. 20 °
11 - shot peening 12 - tempering after shot blasting around 220 °
13 - protective paint 14 - cooking paint approx. 200 °
15 - cooling to temperature ambient approx. 20 °
16 - location control _ g _ ~~~ Q ~~
PROCESS IN ACCORDANCE WITH THE INVENTION
STEEL 55 C3 or 50 CV4 Continuation of operations Temperature Time 1 - crown unwinding 2 - heating (induction or bed fluidized) approx. 850 ° 15 ' 3 - isothermal quenching (cooling dissement) approx. 320 ° 15 ' 4 - warm forming 300 °
5 - lukewarm pretension lock and 280 ° control 6'- 260 ° shot peening
7 - protection (peinture, plastifi-cation)._ 220° 7 - protection (paint, plastic-cation) ._ 220 °
Claims (11)
a) chauffage d'austénitisation de l'acier à
une température supérieure au point de transformation;
b) trempe isotherme dans un bain à lit fluidi-sé, immédiatement à la suite du chauffage d'austénitisa-tion, donnant à l'acier une structure bainitique; et c) formage des pièces à tiède. 1. Method of manufacturing parts from of untreated steel comprising a succession of operations of heat treatment and forming, characterized by the fact that it includes the following successive operations:
a) heating of austenitization of the steel to a temperature above the transformation point;
b) isothermal quenching in a fluid bed bath se, immediately following the heating of austenitisa-tion, giving the steel a bainitic structure; and c) forming warm parts.
une protection des pièces à tiède en bénéficiant de la chaleur résiduelle des pièces. 9. The method of claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6, characterized in that one then proceeds to protection of warm parts by benefiting from the residual heat of the rooms.
une peinture avec cuisson des pièces à tiède en bénéficiant de la chaleur résiduelle des pièces. 10. The method of claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6, characterized in that one then proceeds to a painting with cooking of lukewarm parts while benefiting residual heat from the rooms.
une plastification des pièces à tiède en bénéficiant de la chaleur résiduelle des pièces. 11. The method of claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6, characterized in that one then proceeds to lamination of warm parts, benefiting from the residual heat of the rooms.
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