Procédé de fabrication de pièces métalliques et pièce métallique obtenue par ce procédé. Lors de la déformation ou travail à chaud des métaux ou alliages ferreux ;(acier ou fonte), par exemple lors du laminage ou du forgeage, etc., deux phénomènes ont lieu: l'un, dû à l'action mécanique (travail à chaud); ,l'autre, dû aux effets thermiques (modi fication continue de la structure des grains du métal).
Le premier phénomène produit une défor mation (allongement) des grains, originale- ment grands et à axes égaux, dans la direc tion de l'allongement de la pièce.
Le deuxième phénomène a une action opposée à celle du premier et tend à donner aux grains de nouveau une forme à axes égaux et les dimensions d'origine. La dimen sion des grains du métal traité correspond toujours à la température finale à laquelle le travail a été terminé.
Du fait que le travail à chaud exige pour son accomplissement un temps défini, souvent relativement long, durant lequel la tempéra ture du métal baisse continuellement, les effets du travail à chaud ont généralement la prépondérance par rapport au phénomène thermique, ainsi qu'on le constate en obser vant la structure des grains.
De ce qui précède, on est amené à consta ter que, pour obtenir des grains de structure fine, ce qui est très important au point de vue de la qualité du métal, on devrait ter miner le travail à chaud à une température suffisamment basse pour que, lors du refroi dissement calme du métal, ce dernier acquière la structure à grains de dimensions réduites désirée. Toutefois, un abaissement important de la température du métal entraîne une cer taine perte des qualités de plasticité, nécessite des efforts de travail plus considérables et crée des tensions internes pouvant provoquer des fissures.
La présente invention comprend un pro cédé de fabrication de pièces métalliques, par travail à chaud d'une masse en un alliage fer reux, tel qu'acier et fonte, et vise à donner à ces articles, en plus d'une limite élastique et d'une résistance à la rupture considérable, un coefficient d'allongement et de résilience très élevé.
Le procédé suivant l'invention est carac térisé en ce que l'on refroidit ladite masse, préalablement portée à une température supé rieure à celle correspondant au point A1 du diagramme fer-carbone, de manière à fran chir rapidement ce point Al, et en ce que l'on procède au travail à chaud de la masse ainsi refroidie avant qu'elle n'atteigne la tem pérature de recristallisation .du ,métal.
On a constaté que, grâce à ce procédé, le métal garde la plasticité et déformabilité atteintes à son point de transformation Al, et ceci même ,pendant son refroidissement jus- qu'à des températures juste au-dessus de la température de recristallisation, de sorte qu'on peut le travailler sous des efforts de déforma tion d'une faiblesse surprenante pendant tout le temps de son refroidissement jusqu'à ces basses températures. De plus, du fait que le travail se termine à ces températures relati vement basses, la structure du métal traité est. à grains fins et uniforme.
La fig. 1 du dessin annexé montre un dia gramme représentant la variation de la tem pérature pendant la déformation à chaud, le temps étant porté en abscisses et la tempéra ture en ordonnées.
Sur cette fig. 1: T indique la température à laquelle on commence la déformation; t indique la température finale de la dé formation; h-H indique le temps pendant lequel le métal est travaillé.
La déformation se produit d'une facon continue entre les températures<I>T</I> et<I>t,</I> la tem pérature t étant, comme il a été indiqué phis hâut, assez élevée. Par conséquent, la zone des températures basses, qui a une action si favorable sur les qualités physiques et méca niques du métal, ne se trouve pas utilisée.
L'invention permet l'utilisation des zones de températures plus basses que celles actuellement utilisées, avec toutes les consé quences favorables qui en résultent et dont certaines dépassent même largement, ainsi que l'a constaté l'inventeur, les prévisions autorisées.
Sur le diagramme de la fig. 2 du dessin, on voit en T' la température ait début du refroidissement et en t' la fin de celui-ci. La déformation du métal s'effectue entre t' et <I>t",</I> la température<I>t"</I> devant être supérieure à celle de la recristallisation et dépendant de la nature du métal.
Pour .la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, il est particulièrement prévu de procéder en deux temps: 1 Déformation ayant pour but d'amener le métal à la. forme générale désirée; 2 Déformation définitive, laquelle, tout en amenant le métal à sa forme et ses dimensions finales, détermine sa structure interne.
La première déformation est effectuée à ,des températures normales relativement éle vées. L'ébauche est chauffée à la température appropriée, qui dépend de la composition chi mique du métal, est maintenue à cette tem pérature le temps nécessaire pour que la masse totale du métal soit uniformément chauffée et ,est déformée jusqu'aux tempéra tures minima de déformation, indiquées dans les ouvrages de métallurgie, ces températures étant, invariablement assez élevées. Cette pre mière déformation s'effectue suivant le dia gramme @de la fig. 1.
La première déformation amène l'ébauche sensiblement aux dimensions finales désirées de .la pièce à produire, mais on laisse toutefois une surépaisseur réservée pour la deuxième déformation, qualitative.
L'importance de cette surépaisseur sera d'ordinaire déterminée par la composition et la nature du métal et les qualités mécaniques que l'on veut donner au métal de la pièce finie.
La deuxième déformation (définitive) est effectuée à des températures relativement basses, ainsi qu'il a été indiqué plus haut.
Dans ce but, on procède de la manière suivante: On porte l'ébauche obtenue par la pre mière déformation à une température qui, naturellement, dépendra de la composition ehimique .dit métal, mais qui sera toutefois supérieure au point connu A,, du diagramme Fe-C, mais de préférence inférieure à T sur le diagramme de la fig. 1, c'est-à-dire infé rieure à la température à laquelle on com mence .la première déformation. L'ébauche est maintenue à cette température jusqu'à ce que toute la masse du métal soit uniformément chauffée, ce qui a pour effet de supprimer toutes les tensions internes dues à la pre mière déformation.
L'opération suivante consiste à refroidir intensivement l'ébauche en l'amenant aussi rapidement que possible à une température légèrement inférieure au point critique Al connu du métal en question.
Immédiatement après cela, l'ébauche est soumise à la deuxième déformation qui l'amène aux dimensions finales.
La température finale de cette déforma tion ne devra pas atteindre la température de recristallisation du métal traité. Pour dé terminer cette température finale de la dé formation, on tiendra compte de la nature du métal ainsi que, d'une part, de la réduction de la section, c'est-à=dire de la surépaisseur à réduire dors de la deuxième déformation et, d'autre part, des qualités mécaniques qu'on désire donner au métal.
Cette deuxième déformation qualitative correspond, sur le diagramme de la fig. 2, aux valeurs du temps<I>H' H"</I> et de la tempéra ture Habituellement, pour les aciers au carbone comme pour les aciers spéciaux, la réduction de la section lors de la deuxième déforma tion ne dépassera pas 40 0/0.
Les propriétés physiques du métal traité de cette faon sont les mêmes, que les deux opérations de déformation soient effectuées immédiatement l'une après l'autre ou qu'elles soient séparées par un intervalle de temps quelconque.
Il est indiqué de débarrasser la surface du métal, lors du refroidissement intensif de l'ébauche (période T'-t' du diagramme de la fig. 2) de toute trace d'oxydation.
Dans ce qui suit, on indique quelles sont les ,propriétés acquises par les aciers consti tuant des pièces obtenues par le procédé sui vant l'invention.
1 Aciers au carbone hypoeutectodaux: Dans les aciers de ce type avec l'augmen tation de la teneur en carbone, la température des points de transformation baisse, la tem pérature finale t" de la déformation baisse également, la structure devient de plus en plus fine, le nombre de grains augmente et les lamelles de perlite deviennent de plus en plus fines et de ,plus en plus rapprochées, ce qui élève fortement la limite élastique, tandis que .le rapport E/R (limite élastique/résis- tance à la rupture)
peut atteindre 90 % avec une augmentation importante de la charge de rupture à la traction. L'augmentation de ce rapport jusqu'à<B>100%</B> n'est limitée que par la recristallisation qui se produit, pour les métaux des pièces ainsi obtenues, à des tem pératures considérablement plus basses que dans le cas de métaux de pièces obtenues par d'autres procédés.
Sur le diagramme de .la fig. 3 sont indi quées les caractéristiques des aciers au car bone à divers pour-cent de carbone de pièces obtenues par le procédé suivant l'invention, pour différentes températures finales t" de la déformation qualitative, correspondant à une réduction :de 38 % de la section transver- sale de .l'ébauche.
Des diagrammes similaires peuvent être établis pour d'autres valeurs de la déformation qualitative.
Pour comparer les résultats obtenus par le forgeage de pièces effectué conformément à l'invention et ceux obtenus par le forgeage suivant les procédés usuels, on examinera le diagramme de la fig. 4, sur lequel les lignes épaisses montrent les qualités mécaniques, selon leur teneur en carbone, d'aciers de pièces obtenues avec le procédé suivant l'invention, tandis que les lignes fines représentent les qualités correspondantes des mêmes aciers constituant des pièces obtenues par les pro cédés usuels, et ceci pour les mêmes allonge ments et strictions.
2 Aciers spéciaux: . Le comportement des aciers spéciaux lors de la déformation à basse température effec tuée dans le procédé suivant l'invention dé pend uniquement de l'influence du ou des<B>élé-</B> ments d'alliage sur la température de décom position de l'austénite. Plus est basse cette température, plus on pourra abaisser la tem pérature t" de la fin de la déformation quali tative.
Il faut distinguer à ce point de vue deux groupes d'aciers: A. Groupe ayant la structure perlite- ferrite.
B. Groupe ayant la structure marten- sitique. Les aciers du groupe A se comportent de la même manière que les aciers au carbone hypoeutecto'idaux. Toutefois, les courbes re présentant les modifications des propriétés mécaniques pour les diverses températures finales de la déformation qualitative t" sont plus douces que dans le cas des aciers au carbone. Les aciers spéciaux, dans le pro cédé suivant l'invention, conservent leurs pro priétés de plasticité à des températures basses. Leur structure est tellement fine que le rap port E/R atteint 95 % (par exemple pour un acier de composition 0,12 C -1,58 Ni, t" = 300 C).
Les aciers au nickel-chrome avec une teneur faible en Ni et en Cr se comportent comme des aciers du groupe A ou B, selon les conditions de refroidissement avant la dé formation qualitative.
Les aciers les plus répandus sont des aciers spéciaux avec une structure résultante martensitique. Avec ces aciers, l'austénite peut être amenée, même avec un refroidisse ment relativement lent, dans des zones de températures tellement basses qu'elle ne peut donner lieu qu'à une structure martensitique.
Toutefois, la déformation à basse tempé rature crée des conditions dans lesquelles la martensite change complètement de na ture et diffère absolument de la martensite obtenue ,par trempe habituelle, cette nouvelle structure pouvant être dénommée néomarten- site .
L'acier à structure de néomartensite d'une pièce obtenue par le procédé selon l'invention possède toutes les propriétés des aciers de haute qualité ayant subi des traitements ther miques (trempe, revenu). Ainsi, par exemple, l'acier ayant la composition 0,32C - 0,58 Mn -1,03 Cr - 5,04 Ni pour une température t" = 480 C, pour R = 186,3 kg/mm' présente:
EMI0004.0014
Allongement <SEP> = <SEP> 8,3 <SEP> %
<tb> Striction <SEP> = <SEP> 31,3 <SEP> %
<tb> Résilience <SEP> = <SEP> 6,18 <SEP> kg/cm' De ce qui précède, on voit le rôle joué par la valeur de la température finale de la dé formation t" sur les propriétés mécaniques et physiques du métal.
Présente également une même importance la valeur de la réduction de la section de l'ébauche. La charge à la rupture et la limite d'élasticité croissent avec l'augmentation .de la réduction de la section effectuée pendant la déformation qualitative, tandis que décrois sent l'allongement et la striction. Ainsi, il existe une analogie entre l'influence de la température t" et celle de la valeur de la réduction lors de la déformation qualitative, de telle sorte qu'on peut remplacer la réduc tion nécessaire de la section par une tempé rature t" appropriée de la fin de la défor mation qualitative et vice versa (voir fig. 5).
On peut utiliser cette propriété pour obte nir des pièces dont diverses sections ont des duretés différentes.
Du fait que par le procédé suivant l'in vention on obtient, d'une part., des structures uniformes à grains fins et, d'autre part, des qualités mécaniques élevées, il n'est générale ment pas nécessaire de soumettre les pièces obtenues à des traitements thermiques ulté rieurs. Seuls les aciers du groupe B présen tant une structure néomartensitique montrent une certaine diminution de l'allongement, de la striction et de la résilience et, de ce fait, peuvent être soumis à un certain revenu ulté rieur.
La grande uniformité de la structure, et cela dans toutes les directions de l'ébauche travaillée, ainsi que l'absence des tensions in ternes, rendent le métal sain et toutes les causes de formation de fissures disparaissent. Une autre propriété précieuse des pièces obte nues par le procédé suivant l'invention est l'aptitude du métal constituant à conserver ses qualités mécaniques à des températures aux quelles d'autres métaux sont susceptibles de les perdre.
Grâce à la grande uniformité de structure du métal travaillé à chaud à température relativement basse, la, pièce se prête merveil- leusement, dans bien des cas, à l'usinage par enlèvement des copeaux.
Ainsi, on a constaté qu'une pièce forgée conformément à l'invention, pour laquelle R = 130 kg/mm2, se prête à l'usinage à la même vitesse et avec la même section de co peau qu'une pièce en un acier ordinaire pour lequel R = 65-70 kg/mm2.
Grâce au fait que la déformation quali tative a lieu à des températures relativement basses, la surépaisseur réservée pour l'usinage peut être sensiblement diminuée, ce qui a comme avantage de réduire le poids de l'ébau che et le temps d'usinage et, par conséquent, son prix.
Le procédé suivant l'invention est appli cable à la fabrication de pièces par travail à chaud d'une masse métallique, quelle que soit la nature du travail mécanique (par exemple: forgeage, laminage, etc.). Le procédé peut même être appliqué dans certains cas à des pièces coulées pour obtenir une amélioration des qualités du métal.
Ce procédé assure l'obtention de qualités mécaniques et physiques élevées. II permet d'éviter les traitements thermiques onéreux, d'obtenir des pièces dont diverses sections pré sentent des duretés différentes et, ceci pré sentant un intérêt particulièrement remar quable, de remplacer les aciers de haute qua lité, très chers, par des aciers moins chers.
En plus, le métal des pièces obtenues par le procédé suivant l'invention garde ses pro priétés mécaniques et physiques à des tempé ratures relativement élevées.