CA2069511A1

CA2069511A1 - Fil d'acier ayant une structure de type bainite inferieure ecrouie; procede pour produire ce fil

Info

Publication number: CA2069511A1
Application number: CA002069511A
Authority: CA
Inventors: Jean-Claude Arnaud; Bernard Pierre Prudence
Original assignee: Individual
Current assignee: Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1990-12-18
Publication date: 1991-06-23
Also published as: OA09592A; BR9007935A; ES2051116T3; JPH05506479A; KR920703852A; RU2070938C1; KR100223730B1; FI94363C; US5342700A; NO179456B; EP0506768B1; WO1991009933A1; FR2656242A1; DE69008190T2; AU6975491A; FI922544A0; NO922419D0; FI94363B; NO922419L; NO179456C

Abstract

2069511 9109933 PCTABS00105 Fil métallique présentant les caractéristiques suivantes: a) il est constitué au moins en partie par un acier ayant une teneur en carbone au moins égale à 0,1 % et au plus égale à 0,6 % et une teneur en bore inférieure à 8 ppm; b) l'acier du fil présente une structure (7) de type bainite inférieure écrouie; c) le diamètre du fil varie de 0,10 à 0,40 mm; d) la résistance à la rupture du fil est au moins égale à 2800 MPa; e) l'allongement à la rupture du fil est au moins égal à 0,4 %. Le procédé conforme à l'invention pour produire ce fil consiste à écrouir un fil machine comportant de 28 % à 90 % de ferrite proeutectoïde et de 72 % à 10 % de perlite, puis à effectuer un traitement thermique pour obtenir une structure de type bainite inférieure, puis à effectuer un écrouissage sur le fil, la température du fil lors de cet écrouissage étant inférieure à 0,3 TF, TF étant la température de fusion de l'acier exprimée en Kelvin.

Description

Fil d'acier ayant une structure de type bainite inf ~ ~ $
écrouie ; procédé pour produire ce fil L'invention concerne les fils métalliques et les procéd~s pour obtenir ces fils. Ces fils sont utilisés par exemple pour renforcer des articles en matières plastiques ou en caoutchouc, notamment des tuyaux, des courroies, des nappes, des enveloppes de pneumatiques.

Les fils de ce type couramment utilisés actuellement sont constitués d'acier contenant au moins 0,6 % de carbone, cet acier ayant une structure perlitique écrouie. La résistance à
la rupture de ces fils est environ de 2800 MPa (mégapascals), leur diamètre varie en génëral de 0,15 à 0,35 mm, et leur allongement à la rupture est compris entre 0,4 et 2 ~. Ces fils sont réalisés par tréfilage d~un fil de départ, dit ~fil machine~, dont le diamètre est de l~ordre de 5 à 6 mm, la structure de ce fil machine étant une structure dure, constituée de perlite et de ferrite avec un fort taux de perlite qui est en général supérieur à 72 %. Lors de la réalisation de ce fil, on interrompt au moins une fois l'opération de trefilage pour effectuer un ou plusieurs traitements thermiques qui permettent de régénérer la structure initiale.

, ^ .
Ce procédé présente les inconvénients suivants :

la matière première est coûteuse, car le taux de carbone est relativement élevé ;
les paramètres ne peuvent pas etre modifiés facilement, en particulier le diamètre du fil machine et le diamètre final sont maintenus dans des limites rigides, le procédé
manquant donc de souplesse ;
la grande dureté du fil machine du~e à sa structure fortement perlitique rend le tréfilage difficile, avant le traitement thermique, de telle sorte que le taux de ~ ' ' .
, .

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- 2 - hl~J~-J
déformation ~ de ce tréfilage est nécessairement inférieur

3 ; d'autre part les vitesses de ce tréfilage sont faibles et il peut y avoir des casses du fil lors de cette opération.

D'autre part, les fils eux-mêmes ont une résistance à la rupture parfois insuffisante, et leur résistance à la fatigue est limitée, par suite probablement d'un endom~.agement de ces fils lors du tréfilage avant le traitement thermique, à cause de la grande dureté du fil machine.

La demande de brevet japonais publiée sous le n 54-79119 décrit un procédé pour préparer un fil en acier au bore de st~ucture bainitique par chauffage dans un lit fluidisé. Les fils obtenus se caractérisent par des propriétés mécaniques faibles.

Le but de l'invention est de proposer un fil métallique écroui ayant une structure non perlitique et présentant une résistance à la rupture et un allongement à la rupture au moins aussi élevés que;les fils d'acier perlitiques écrouis connus, et un plus faibie endommagement que les fils connus.

Un autre but de l'invention est de proposer pour réaliser ce fil un procédé qui ne présente pas les inconvénients précités.

Le fil métallique conforme à l'invention présente les caractéristiques suivantes :
:.
a) il est constitué au moins en partie par un acier ayant une teneur en carbone au moins égale à 0,1 ~ et au plus égale --' ' ' , .: , . . :: . : : : :

, ' ~ 0,6 %, et une teneur en bore inférieure ~ 8 ppm (parties par million) ;
b) l'acier du fil pr~sente une structure de type bainite inférieure écrouie ;
c) le diamètre du fil varie de 0,10 à 0,40 mm ; -d) la résistance à la rupture du fil est au moins égale à
2800 MPa ;
e) l'allongement à la rupture du fil est au moins égal à -0,4 ~.

Le procédé conforme ~ l'invention pour produire ce fil est caractérisé par les points suivants :

a) on écrouit un fil machine en acier, cet acier ayant une teneur en carbone au moins égale à 0,1 % et au plus égale à 0,6 % et une teneur en bore inférieure à 8 ppm (parties par million), cet acier comportant de 28 ~ à 90 ~ de ferrite proeutectoïde et de 72 % à 10 % de perlite ; le taux de déformation de cet écrouissage étant au moins égal à 3 ;

`~ b) on arrete l'écrouissage et on effectue un traitement thermique structural unique sur le fil écroui ; ce traitement consiste à chauffer le fil au dessus du point de transformations AC3 pour lui donner une structure d'austénite homogène, puis à le refroidir rapidement à une température comprise entre 350C et 450C, la vitesse de ce refroidissement étant au moins égale à 250C/seconde, et à le maintenir dans cette plage de température pendant ; un temps au moins égal à 30 secondes, de façon à obtenir une structure de type bainite inférieure comportant des précipités de carbures répartis de façon pratiquement homogène dans une matrice ferritique ;
-- ' .

. . . ~ -~ ~ WO91/09933 PCTIFR90/00920 `: ;

- 4 - ~3 :`

,, .
. .
~ c) on refroidit le fil à une température inférieure ~ 0,3 TF, ;!' TF étant la température de fusion de l~acier, exprimée en -' Kelvin ;
. ~ . .
d) on effectue un écrouissage sur le fil ayant subi ce traitement thermique, la température du fil lors de cet écrouissage étant inférieure à 0,3 TF, le taux de déformation de cet écrouissage étant au moins égal à 3.

;~ L'invention concerne également les assemblages comportant au moins un fil conforme à 1'invention.
.;
~ L'invention concerne également les articles renforcés au . ~, moins en partie par des fils ou des assemblages conformes aux définitions précédentes, de tels articles étant par exemple des tuyaux, des courroies, des nappes, des enveloppes de pneumatiques.
, .~ . .
L'invention sera aisément comprise à l'aide des exemples de réalisation qui suivent, et des figures toutes schématiques - ~-~¦ relatives à ces exemples.
:.' ' ~ Sur le dessin :
:,, :' .
~ - la figure 1 représente la structure de l'acier d'un fil 'R avant traitement thermique, lors de la mise en oeuvre du -' procédé conforme à l'invention ;
` - la figure 2 représente la structure de l'acier d'un fil après traitement thermique, lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention ;
-` - la figure 3 représente la structure de l'acier d'un fil conforme à l'lnvention.

:~, . .
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WO9l/09933 PCT/FR90/00920

- 5 ~ 9~

Dans ce qui suit, tous les pourcentages et ppm de composition indiqués sont en poids et les mesures de résistance ~ la rupture et d'allon~ement à la rupture sont effectuées selon la méthode AENOR NFA 03-151.

Par définition, le taux de déformation r d~un écrouissage est donné par la formule r = Ln ~
Ln étant le logarithme népérien, So étant la section initiale du fil avant cet écrouissage et Sf étant la section du fil après cet écrouissage.

Le but des exemples qui suivent est de décrire la préparation et les propriétés de trois fils conformes à l'invention.

On utilise dans ces exemples un fil machine non écroui de 5,5 mm de diamètre. Ce fil machine est constitué d'un acier dont les caractéristiques sont les suivantes :

- teneur en carbone : 0,4 % . --- teneur en bore : inférieure à 8 ppm ;
- teneur en manganèse : 0,4 % ;
- teneur en silicium : 0,2 % ;
- teneur en phosphore : 0,015 % ;
- teneur en soufre : 0,02 % ;
~ teneur en aluminium : 0,015 % ;
- teneur en azote : 0,005 % ;
- teneur en chrome : 0,05 % ;
- teneur en nickel : 0,10 % ;
- teneur en cuivre : 0,10 % ;
- teneur en molybdène : 0,01 % ;
- teneur en ferrite proeutectoïde : 53 %
- teneur en perlite : 47 ~

. .
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:, .: . ..

- 6 ~' , - température de fusion de l'acier, TF : 1795 K
- résistance à la rupture Rm : 700 MPa ;
- allongement à la rupture Ar : 17 %

On réalise avec ce fil machine trois fils conformes à
l'invention de la façon suivante :

Exemple_1 On décalamine le fil machine, on l~enduit d~un savon de tréfilage, par exemple du borax, et on le tr~file à sec pour obtenir un fil de diamètre 1,1 mm, ce qui correspond à un taux de déformation légèrement supérieur à 3,2. ~.
, Le tréfilage est réalisé facilement grâce à la structure relativement ductile du fil machine. A titre d~exemple, un acier à 0,7 % de carbone non écroui présente une résistance à
la rupture Rm d'environ 900 MPa et un allongement à la rupture de 8 % environ, c'est-à-dire qu'il est nettement moins ductile.

Le tréfilage précédemment décrit est effectué à une température inférieure à 0,3 TF, dans un but de simplification, bien que cela ne soit pas indispensable, la temperature de tréfilage pouvant éventuellement égaler ou dépasser 0,3 TF. ~ .
' , .
La figure 1 représente la coupe longitudinale d~une portion 1 de la structure du fil ainsi obtenue. Cette structure est constituée de blocs allongés 2 de cémentite et de blocs allongés 3 de ferrite, la plus grande dimension de ces blocs étant orientée dans la direction de tréfilage.

. .

:
WO91~09s33 PCT/FR90/00920 _ 7 2~g~9 On effectue alors sur le fil ainsi obtenu le traitement thermique suivant :

- on chauffe le fil pour le porter ~ 900C, c~est-à-dire au dessus du point de transformation AC3, et on le maintient ~, pendant 1 minute à cette température de façon à obtenir une structure d'austénite homogène ;

- on refroidit ensuite le fil à 400C dans un bain de sel en moins de 2 secondes, et on maintient le fil à cette . température pendant 1 minute, puis on le refroidit à
`, environ 20C, c'est-à-dire à la température ambiante.
-La figure 2 représente une coupe d~une portion 4 de lastructure du fil ainsi obtenu. Cette structure, de type bainite inférieure, est constituée de précipités de carbure 5, répartis de façon pratiquement homogène dans une matrice 6 de ferrite. Cette structure est obtenue grace au traitement thermique précédent, et elle est conservée lors du refroidissement à la temp~rature ambiante. Les précipit~s S
ont en général des dimensions au moins égales à 0,005 ~m (micromètre) et au plus égales à 0,S ~m.
:j Le fil ainsi obtenu par ce traitement thermique et ce refroidissement à la température ambiante est revetu d'une couche de laiton. L~épaisseur de cette couche de laiton est faible (de l'ordre du ~m) et elle est négligeable par rapport au diamètre du fil avant laitonnage. On réalise ensuite un tréfilage humide de ce fil de façon à obtenir un diamètre final de 0,2 mm, ce qui correspond pratiquement à = 3,4. Le tréfilage est facilité par la couche de laiton. La température du fil, lors de ce tréfilage, est nécessairement inféFieUre à 0~3 TF

ii , . . .

:,; , - . . .; - . - . ... . .

; . .,~.

W~91/09933 PCT/FR9OtO0920 - 8 ~

La figure 3 représente une coupe longitudinale de la portion

7 de ce fil conforme à l'invention ainsi obtenu. Cette portion 7 présente une structure de type bainite inférieure écrouie constituée de carbures 8 de forme allongée qui sont pratiquement parallèles entre eux et dont la plus grande dimension est orientée selon l~axe du fil, c~est-à-dire selon la direction de tréfilage schématisée par la flèche F à la figure 3. Ces carbures 8 sont disposés dans une matrice ferritique écrouie 9.

Ce fil conforme à l'invention a une résistance à la rupture -de 3200 MPa et un allongement à la rupture de 0,7 %.

Exemple 2 On décalamine le fil machine, on l'enduit d'une couche de ::
savon de tréfilage, par exemple du borax, et on le tréfile à
sec pour obtenir un fil de diamètre 0,9 mm, ce qui correspond à un taux de déformation e légèrement supérieur à 3,6. La ~:
structure obtenue est analogue à celle représentée à la figure 1. On effectue alors sur le fil ainsi obtenu le traitement thermique suivant : :

- on chauffe le fil de la meme façon que dans l'exemple 1 pour obtenir une structure d'austénite homogène ;

- on refroidit ensuite le fil à 370~C en moins de 2 secondes et on le maintient à cette température pendant 90 secondes, puis on le refroidit à la température ambiante.

La structure obtenue est analogue à celle représentée à la figure 2. On laitonne alors le fil et on le tréfile de facon . . " : ' . . ' ~ ' : . , : . , ' , ' WO91!09933 PCT/FR90/00920 '~
- 9 - ~a~3 analogue ~ l~exemple 1 pour obtenir un diamètre final de 0,17 mm, ce qui correspond pratiquement à = 3,3 La température du fil lors de ce tréfilage est inférieure à 0,3 TF. Le fil conforme à l~invention ainsi obtenu a une structure analogue à celle représentée à la figure 3.

Ce fil a une résistance à la rupture égale à 3000 MPa et un allongement à la rupture égal à 0,9 %.

Exemple_3 On réalise un fil conforme à l'invention de la même façon que dans l'exemple 1 mais avec la différence que le tréfilage effectué après le traitement thermique est poursùivi jusqu'au diamè~re final de 0,17 mm, ce qui correspo~,d pratiquement à
= 3,7. Ce fil conforme à l'invention a une résistance à la rupture égale à 3500 MPa et un allongement à la rupture égal à 0,7 %. Les'structures intermédiaires et la structure finale sont analogues aux structures précédemment décrites. ' : :
'i L'invention présente les avantages suivants :
. .
on part d'un fil machine à faible taux de carbone, et donc d'un coût peu élevé ;

on bénéficie d'une grande souplesse dans le choix des ~ -diamètres des fils, c'est ainsi par exemple qu'on peut utiliser des fils machines dont le diamètre est notablement supérieur à 6 mm, ce qui réduit encore les coûts, et on peut réaliser des fils très variés en diamètra ;

le tréfilage avant le traitement thermique structural est relativement aisé~, de telle sorte que le taux de .. ...
:~.
~j ., ~' .

. ~

. . .
.

.~

- 10~

déformation r de ce tréfilage peut être supérieur à 3 ;
d'autre part, ce tréfilage peut être réalisé avec des :~ :
vitesses élevées ; enfin on réduit la fréquence des casses de fils et des changements de filières, ce qui réduit encore les coûts ;

- le fil obtenu présente une résistance à la rupture et un allongement à la rupture de valeurs au moins égales à
' celles des fils classiques, ce qui se traduit donc par une -énergie de rupture au moins égale à celle des fils classiques ;
~ .
- le fil est moins endommagé lors du tréfilage avant ~- -traitement thermique ; : :

- le fil obtenu presente une meilleure résistance à la corrosion que les fils classiques par suite de sa faible teneur en carbone.

De préférence, l'acier du fil conforme à l'invention a une teneur en carbone au.moins égale à 0,2 % et au plus égale à
O,5 %.
~ .
De préférence, dans l'acier du fil conforme à l'invention et donc dans le fil machine de départ, on a les compositions suivantes : 0,3 % s Mn s 0,6 % ; 0,1 % s Si s 0,3 % ;
P s 0,02 % ; S 5 0,02 % ; Al s 0,02 % ; N s 0,006 %.

Avantageusement dans l'acier du fil conforme à l'invention et donc dans le fil machine de départ, on a les relations suivantes : Cr s 0,06 % ; Ni 5 0,15 % ; Cu s 0,15 % ;
Mo s 0,015 %.
.. . .
' ..-.......

,, .
, . . WO91/09933 PCT/FR90/00920 .

De préférence, dans le procédé conforme à l~invention, on a au moins une des caractéristiques suivantes : .

- le fil machine de départ a une teneur en carbone au moins égale à 0,2 % et au plus égale à 0,S ~ ;

- le fil machine de départ a une teneur en ferrite proeutectoïde au moins égal ~ 41 %, et au plus égale à 78 et une teneur en perlite au moins égale ~ 22 % et au plus égale à 59 % ;

- le taux de déformation e lors de l~écrouissage avant le traitement thermique structural est au plus égal à 6 ;

- le taux de déformation ~ lors de l'écrouissage après le traitement thermique strùctural est au plus égal à 4,5.

Dans les exemples précédemment décrits, le fil après ~
traitement thermique était laitonné pour faciliter son , -tréfilage, cependant l'invention couvre les cas où on utilise d'autres coulants de tré`filage que le laiton, par exemple le cuivre, le zinc, les alliages ternaires cuivre-zinc-nickel, cuivre-zinc-cobalt, cuivre-zinc-étain, ces coulants étant autres que l'acier.

L'écrouissage du fil dans les exemples précédents est réalisé
par tréfilage, mais d'autres techniques sont possibles, par exemple un laminage, associé éventuellement à un tréfilage, pour au moins une des opérations d'écrouissage.

Bien entendu, l~invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation précédemment décrits.

. . .

.. ..., ~ . .. . . . .. , . ; ~.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Fil métallique caractérisé par les points suivants :

a) il est constitué au moins en partie par un acier ayant une teneur en carbone au moins égale à 0,1 % et au plus égale à 0,6 %, et une teneur en bore inférieure à 8 ppm (parties par million) ;

b) l'acier du fil présente une structure de type bainite inférieure écrouie ;

c) le diamètre du fil varie de 0,10 à 0,40 mm ;

d) la résistance à la rupture du fil est au moins égale à
2800 MPa ;

e) l'allongement à la rupture du fil est au moins égal à
0,4 % .

2. Fil métallique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier a une teneur en carbone au moins égale à 0,2 % et au plus égale à 0,5 %.

3. Fil métallique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'acier vérifie les relations suivantes : 0,3 % ? Mn ? 0,6 % ; 0,1 % ? Si ? 0,3 % ;
P ? 0,02 % ; S ? 0,02 % ; Al ? 0,02 % ; N ? 0,006 %.

4. Fil métallique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'acier vérifie les relations suivantes : Cr ? 0,06 % ;
Ni ? 0,15 %; Cu ? 0,15 % ; Mo ? 0,015 %.

5. Fil métallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est revêtu d'une couche métallique autre que l'acier.

6. Fil métallique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est revêtu d'une couche de laiton.

7. Procédé pour produire un fil métallique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par les points suivants :

a) on écrouit un fil machine en acier, cet acier ayant une teneur en carbone au moins égale à 0,1 % et au plus égale à 0,6 % et une teneur en bore inférieure à 8 ppm (parties par million), cet acier comportant de 28 % à 90 % de ferrite proeutectoïde et de 72 % à 10 % de perlite ; le taux de déformation c de cet écrouissage étant au moins égal à 3 ;

b) on arrête l'écrouissage et on effectue un traitement thermique structural unique sur le fil écroui ; ce traitement consiste à chauffer le fil au dessus du point de transformations AC3 pour lui donner une structure d'austénite homogène, puis à le refroidir rapidement à une température comprise entre 350°C et 450°C, la vitesse de ce refroidissement étant au moins égale à 250°C/seconde, et à le maintenir dans cette plage de température pendant un temps au moins égal à 30 secondes, de façon à obtenir une structure de type bainite inférieure comportant des précipités de carbures répartis de façon pratiquement homogène dans une matrice ferritique ;

c) on refroidit le fil à une température inférieure à 0,3 TF, TF étant la température de fusion de l'acier, exprimée en Kelvin ;

d) on effectue un écrouissage sur le fil ayant subi ce traitement thermique, la température du fil lors de cet écrouissage étant inférieure à 0,3 TF, le taux de déformation .epsilon. de cet écrouissage étant au moins égal à 3.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fil machine a une teneur en carbone au moins égale à 0,2 % et au plus égale à 0.5 %.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le fil machine vérifie les relations suivantes : 0,3 % ? Mn ? 0,6 % ; 0,1 % ? Si ? 0,3 % ;
P ? 0,02 % ; S ? 0,02 % ; Al ? 0,02 % ; N ? 0,006 %.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le fil machine vérifie les relations suivantes :
Cr ? 0,06 % ; Ni ? 0,15 % ; Cu ? 0,15 % ; Mo ? 0,015 %.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que l'on effectue un revêtement métallique autre que l'acier sur le fil, après le traitement thermique structural avant écrouissage.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ce revêtement est un revêtement de laiton.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que le fil machine a une teneur en ferrite proeutectoïde au moins égale à 41 % et au plus égale à 78 %, et une teneur en perlite au moins égale à 22 % et au plus égale à 59 %.

14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que le taux de déformation .epsilon. lors de l'écrouissage avant le traitement thermique structural est au moins égal à 3 et au plus égal à 6.

15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que le taux de déformation .epsilon. lors de l'écrouissage après le traitement thermique structural est au moins égal à 3 et au plus égal à 4,5.

16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 15, caractérisé en ce qu'au moins un écrouissage est effectué au moins en partie par tréfilage.

17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 16, caractérisé en ce que la structure de type bainite inférieure, obtenue après les refroidissement rapide, est telle que les précipités de carbure ont en général des dimensions au moins égales à 0,005 µm (micromètre) et au plus égale à 0,5 µm.

18. Assemblage comportant au moins un fil conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6.

19. Article renforcé avec au moins un fil conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6.

20. Article renforcé avec au moins un assemblage conforme à
la revendication 18.

21. Article selon l'une quelconque des revendications 19 ou 20, caractérisé en ce qu'il est une enveloppe de pneumatique.