CH627787A5 - Procede d'obtention d'un element allonge en acier dur. - Google Patents

Procede d'obtention d'un element allonge en acier dur. Download PDF

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Description

La présente invention concerne un procédé d'obtention d'un élément allongé en acier dur et mi-dur, par des opérations de réduction de section. Elle concerne des opérations d'écrouissage telles que laminage, tréfilage et en particulier, mais non exclusivement, le tréfilage de fils de renfort pour pneumatiques.
On peut pratiquer l'écrouissage de l'acier à chaud ou à froid. A chaud, l'écrouissage est réalisé à une température à laquelle l'acier recristallise. Il permet des déformations importantes mais conduit à des aciers de résistance mécanique plus faible que lorsque l'écrouissage est réalisé à température ambiante.
La présente invention, visant à l'obtention de fils présentant de bonnes qualités mécaniques, concerne l'écrouissage à froid.
La structure d'équilibre de l'acier dur et mi-dur (teneur en carbone supérieure à 0,4%) est constituée principalement d'une part de perlite, formée de feuillets de cémentite (carbure de fer très dur et cassant) dans une matrice de ferrite eutectoïde (fer presque pur très ductile) et, d'autre part, de ferrite proeutectoïde en quantité variable selon le traitement thermique et la composition (teneur en carbone). La structure qui convient le mieux au tréfilage est celle d'une perlite extrêmement fine. On approche très bien cette structure par l'opération de patentage au plomb.
Le patentage consiste à porter l'acier à une température
(900 à 1000°C) à laquelle le carbone est totalement soluble. Cette phase de l'acier s'appelle austénite. On trempe ensuite l'acier dans du plomb à une température comprise entre 500 et 600°C. La précipitation de la cémentite se fait alors sous forme de lamelles très fines dont l'espacement est si petit qu'on ne peut le résoudre au microscope optique. L'acier patenté peut alors être écroui à froid, par exemple laminé ou tréfilé.
Cependant, quelle que soit la qualité de la structure initiale, on ne peut pas réduire la section indéfiniment. Il existe une limite d'écrouissage dépendant quelque peu de la lubrification, au-delà de laquelle le tréfilage devient impossible. A titre d'exemple, pour un acier à 0,7% de carbone, pour descendre du diamètre 5,5 mm, au diamètre 0,25 mm, deux traitements de patentage sont nécessaires.
Le durcissement de l'acier au cours de l'écrouissage peut se résumer simplement en disant que, pendant la déformation, il se crée des défauts linéaires (dislocations), qui s'opposent à une déformation ultérieure. La cémentite participe à la déformation en se brisant et en s'alignant dans le sens de cette dernière.
On comprend alors que, lorsqu'on arrive à une certaine densité de défauts, aucune déformation ne peut plus se propager, entraînant alors fissuration et rupture.
Donc, pour réduire un fil d'acier de diamètre 5,5 mm (fil machine) à un diamètre de 0,25 mm (diamètre du fil fin utilisable par exemple dans le pneumatique), il est nécessaire d'effectuer deux patentages. Cela veut dire effectuer deux opérations de chauffe du fil à 900 à 1000°C et deux trempes au plomb à 500 à 600°C. Cela représente un procédé assez long. Aussi, il a été envisagé de remplacer totalement, ou en partie, le procédé d'écrouissage à froid avec patentage par un procédé plus simple.
La demande française publiée numéro 2 078 026 décrit un procédé de fabrication d'un fil de petit diamètre en acier, à résistance élevée, tel que fil pour renfort de pneumatique. Le procédé permet d'éviter le patentage. Pour cela, l'acier dur au carbone est remplacé par un acier allié à faible teneur en carbone. Le processus d'élaboration comporte les phases suivantes: tréfilage à froid par passage à travers plusieurs filières, traitement thermique par recuit à 400-650°C et tréfilage à cette température, éventuellement au cours de plusieurs cycles d'étirage de plusieurs passes chacun jusqu'à l'obtention du diamètre final. On constate que l'on est parvenu à la suppression du patentage mais au prix d'un changement du type d'acier. Il s'agit d'un acier spécial, donc cher. D'autre part, le tréfilage lui-même ne s'effectue pas à froid, mais à mi-chaud, ce qui risque d'avoir des conséquences sur les caractéristiques d'état de surface, celui-ci devenant trop rugueux. Or, le laitonnage qui est nécessaire pour l'adhérence du fil d'acier au caoutchouc doit être effectué sur une surface lisse. Des problèmes doivent surgir à ce niveau, que le document considéré n'aborde pas. En outre, aux températures du traitement, il y a risque de dégradation des lubrifiants de tréfilage.
Le brevet français numéro 1 495 846 décrit un procédé d'écrouissage notamment de fil d'acier au carbone. Dans le processus d'élaboration du fil fin, on remplace une opération de patentage et d'écrouissage à froid par un écrouissage à mi-chaud: température comprise entre la température ambiante et la température de recristallisation. Dans l'exemple, on part d'un fil patenté que l'on tréfile à froid en plusieurs passes jusqu'à la limite d'étirabilité. Ensuite, le fil est chauffé par induction à une température comprise entre 100 et 500°C; il est laminé à cette température, puis refroidi. Eventuellement, le fil peut ensuite subir une opération de tréfilage à froid. Ce procédé constitue un compromis entre le tréfilage à froid et le tréfilage à chaud. Mais il présente des
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inconvénients: d'une part, aux températures du traitement, la viscosité des lubrifiants de tréfilage diminue et il y a risque de dégradation desdits lubrifiants; d'autre part, lors du tréfilage, à ces températures, l'état de surface du fil se dégrade et devient rugueux, ce qui rend le fil inapte au laitonnage et exclut son emploi comme fil de renfort pour pneumatiques. D'ailleurs, ce procédé conduit à des fils ou éléments allongés utilisables pour la fabrication de ressorts ou comme armatures de béton précontraint, non à des fils de renfort pour pneumatiques.
Dans le brevet français 2 053 414, on décrit un procédé de fabrication d'un fil d'acier à haute résistance, caractérisé par le fait que le fil d'acier laminé est soumis successivement à une série de passes de tréfilage à froid, à un recuit de sphéroï-disation, à un refroidissement jusqu'à une température convenant pour effectuer le tréfilage final, puis à une deuxième opération de tréfilage à froid. Le recuit de sphéroï-disation conduit à la formation de cémentite globulisée. Or, en métallurgie, on sait que la structure de l'acier, sous forme de cémentite globulisée, est très préjudiciable aux propriétés mécaniques. Cette structure se prête très mal à un tréfilage ultérieur. Il faut donc s'attendre à de grandes difficultés lors de la mise en œuvre de la deuxième série de passes de tréfilage.
La présente invention concerne un nouveau procédé d'élaboration d'un élément allongé en acier au carbone à résistance élevée, par écrouissage, caractérisé par le fait que l'on soumet d'abord l'élément allongé à une première opération de réduction de section, à température ambiante, sensiblement jusqu'à la limite d'étirabilité, ensuite à un traitement thermique à une température inférieure à la température de globulisation de la cémentite, pendant un temps pouvant aller d'une fraction de seconde à quelques minutes, de façon à lui redonner une capacité d'étirabilité, puis à un refroidissement à température ambiante et à une deuxième opération de réduction de la section à température ambiante. De préférence, le traitement thermique, le refroidissement et la deuxième opération de réduction de section, sont effectués en continu. Ces opérations se déroulent à des vitesses élevées, pouvant aller jusqu'à 1000 mètres/minute et plus. La température du traitement thermique, inférieure à la température de globulisation de la cémentite, est comprise entre 400 et 600°C.
La durée du traitement thermique doit être suffisante pour porter le cœur de l'élément allongé à la température désirée comprise entre 400 et 600°C. Elle est fonction de la puissance du moyen de chauffe, de la vitesse de défilement de l'élément allongé et de la grandeur de sa section. D'une façon générale, la durée du traitement thermique est comprise entre une fraction de seconde et quelques minutes. Le maintient à température pendant plusieurs dizaines de secondes, même s'il n'est pas nécessaire n'est pas préjudiciable.
Le refroidissement s'effectue de façon simple à l'air libre. Dans le cas où les opérations à partir du traitement thermique se succèdent en continu, il doit être suffisamment rapide pour qu'à l'entrée de la première filière de tréfilage l'élément allongé soit revenu à température ambiante.
La deuxième opération de réduction de section effectuée à température ambiante, peut avantageusement être suivie par un traitement de patentage, par un refroidissement par un traitement de surface (par exemple laitonnage), et une opération de réduction de section à température ambiante afin d'obtenir la section et les propriétés mécaniques désirées.
Mais la deuxième opération de réduction de section à température ambiante peut également être suivie par un traitement thermique à une température comprise entre 400 et 600°C, un refroidissement à température ambiante et une troisième opération de réduction de section effectuée à température ambiante.
L'acier utilisé est un acier contenant de 0,4 à 0,8% de carbone avec éventuellement addition d'éléments entrant habituellement dans la composition de ce type d'acier tels que manganèse, silicium.
Le présent procédé s'applique en particulier à la fabrication de fil pour renfort de pneumatiques. Dans ce cas, l'élément de départ est un fil dit «fil machine»: c'est un fil apte au tréfilage, en provenance de l'aciérie. Selon la préparation habituelle, il a subi un traitement de décalaminage, décapage, rinçage, et a reçu un revêtement à la chaux, au borax, ou au phosphate pour favoriser le tréfilage.
Le traitement mécano-thermique selon l'invention permet, à relativement basse température, d'éliminer une partie des dislocations et de redonner une capacité de déformation au métal.
Ce traitement thermique permet d'éviter la diffusion des atomes de fer, ce qui aurait pour conséquence une coales-cence de la cémentite très préjudiciable aux propriétés mécaniques (une cémentite globulisée ne participe plus à la déformation: les propriétés mécaniques sont alors celles de la matrice feritique, donc très faibles).
Le traitement selon l'invention permet une grande élimination des défauts tout en évitant la coalescence de la cémentite.
Après traitement thermique à 400-600°C, l'élément allongé pourrait éventuellement être soumis à un décapage à l'acide. De même, avant chaque opération de réduction de section, il pourrait recevoir le revêtement approprié (savons, phosphates, borax). Cependant, le procédé d'élaboration selon l'invention permet de se passer des opérations de décapage et revêtement après traitement thermique. Le traitement thermique entre 400 et 600°C ne dégrade ni les états de surface, ni les revêtements. C'est un avantage important puisqu'il permet l'économie de la ligne décapage revêtement, entraînant une grande simplification.
Une forme avantageuse du traitement consiste à porter l'élément allongé à une température de 400 à 600°C pendant quelques secondes, à l'aide d'un inducteur haute fréquence par exemple, ou d'un dispositif à effet Joule, ou de brûleurs à gaz, etc.
Dans le cas de fabrication de fils, les fils obtenus par le procédé selon l'invention présentent des propriétés mécaniques sensiblement meilleures que celles des fils obtenus par le procédé classique utilisant le patentage; la résistance à la traction est sensiblement plus élevée, de même que la dureté. Ces fils constituent un produit intéressant qui peut trouver des utilisations dans la fabrication de câbles sous-marins, ressorts, câbles porteurs, câbles de manutention, etc. Cependant,
après traitement ultérieur de patentage et tréfilage, les fils conviennent parfaitement comme renforts pour pneumatiques. Ils présentent alors les mêmes propriétés mécaniques que les fils obtenus par le procédé classique comportant deux opérations de patentage avec, de plus, un meilleur comportement à la fatigue.
Mais l'invention sera mieux comprise à l'aide de exemple ci-après, donné à titre illustratif mais non limitatif; il concerne la fabrication de fils pour renfort de pneumatiques.
On part d'un fil d'acier laminé à 0,7% de carbone en provenance de l'aciérie ayant subi un refroidissement contrôlé, d'un diamètre de 5,5 mm. Ce fil, apte au tréfilage, est d'abord décalaminé, décapé, rincé et reçoit un revêtement de phosphate et de borax. Le fil est ensuite tréfilé à froid en sept passes jusqu'au diamètre de 3 mm. Le fil, conformément à l'invention, est alors soumis à un traitement thermique à 400°C pendant quelques secondes à l'aide d'un inducteur haute fréquence asservi par un pyromètre infrarouge dans le . but de lui redonner une capacité d'étirabilité. En continu avec le traitement thermique, le fil est refroidi à température ambiante puis, toujours en continu, soumis à une nouvelle
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opération de tréfilage à la température ambiante. On passe du diamètre 3 mm au diamètre 1,25 mm en neuf passes. Le fil est réceptionné sur un support. Le fil de 1,25 mm de diamètre subit une opération classique de patentage, pour lui redonner une capacité d'étirabilité et il est soumis en continu à un décapage dans un bain d'acide, un rinçage à l'eau puis il reçoit un revêtement de laiton par un procédé électrolytique. Le fil de 1,25 mm, laitonné, rincé et séché, est soumis à sa dernière opération de tréfilage où, en 19 passes, on obtient le fil fin de diamètre 0,25 mm. Ce fil est alors utilisable pour les opérations de finissage telles que toronnage et câblage.
Le tableau ci-après donne les caractéristiques comparées aux différents stades d'élaboration, d'un fil obtenu par le procédé classique et d'un fil obtenu par le procédé selon l'in-5 vention:
On constate que le fil fini (diamètre 0,25 mm) obtenu par le procédé selon l'invention, et le fil fini obtenu par le procédé classique, ont des propriétés mécaniques (RT, Ail) équivalentes. Les autres propriétés: torsion, pliage, sont également io identiques et la fatigue du toron est supérieure.
Diamètre du fil en mm
Caractéristiques
Fil standard Fil traité selon avec patentage l'invention
Fil 5,5
RT
1040 MPa
Ail
10%
Str
40%
Fil 3 prétréfilé
RT
1510
Ail
3,4
Fil 3+traitement
RT
1180
1345
thermique
Ail
9,3
12,7
Str
55
43
Fil 1,25 tréfilé
RT
1785
2273
Ail
3
3,2
Fil 1,25 patenté
RT
1205
1200
laitonné
Ail
9,5
9,10
Fil fin 0,25
RT
2760
2780
Ail
2,10
2,05
RT = Résistance à la traction en Méga-Pascal
Ali = Allongement à la rupture en 0/o mesuré sur 50 cm
Str = Striction.
Mais, au niveau du produit intermédiaire (fil 1,25 mm tréfilé), le fil obtenu par le procédé selon l'invention présente des propriétés mécaniques nettement supérieures à celles du fil obtenu par le procédé classique. Ces propriétés sont exceptionnelles pour un fil de 1,25 mm de diamètre à 0,7% de carbone, obtenu à partir d'un fil d'acier de 5,5 mm, à refroidissement contrôlé en aciérie. Ce fil peut être employé dans des utilisations telles que câbles sous-marins, ressorts, etc. Le procédé selon l'invention permet seul d'arriver directement à ce résultat.
L'invention offre de nombreux avantages:
- remplacement du patentage par un procédé plus simple, facilité de mise en œuvre, matériel simplifié donc moins coû-teaux;
- pas de dégradation des états de surface;
- pas de dégradation des revêtements ce qui permet de supprimer les opérations de décapage et revêtement après le trai35
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tement thermique et avant le deuxième tréfilage, d'où économie de matériel, de matières premières et d'énergie;
- possibilité d'opérer en continu à partir du traitement thermique et à grandes vitesses jusqu'à 1000 mètres/minute et plus;
- optention d'un produit présentant des propriétés mécaniques supérieures à celles des produits obtenus par le procédé classique - ce produit pouvant être considéré comme produit fini et utilisé tel quel ou comme produit intermédiaire. Dans ce dernier cas, il conduit à un produit fini (par exemple fil pour pneus) présentant les mêmes propriétés que le produit obtenu par le procédé classique.
- Ces résultats sont obtenus en conservant le type d'acier au carbone habituellement employé.
Evidemment, l'invention ne se limite pas à l'exemple ci-dessus; elle est applicable à tous les cas d'écrouissage d'éléments allongés en acier au carbone tels que laminage de profilés, tréfilages, etc.
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Claims (7)

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1. Procédé d'élaboration d'un élément allongé en acier au carbone à résistance élevée, par écrouissage, caractérisé par le fait que l'on soumet d'abord l'élément allongé à une première opération de réduction de section à température ambiante, sensiblement jusqu'à la limite d'étirabilité, ensuite à un traitement thermique à une température inférieure à la température de globulisation de la cémentite, pendant un temps allant d'une fraction de seconde à quelques minutes de façon à lui redonner une capacité d'étirabilité, puis à un refroidissement à température ambiante et à une deuxième opération de réduction de section effectuée à température ambiante.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la température du traitement thermique est comprise entre 400 et 600°C.
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REVENDICATIONS
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le traitement thermique, le refroidissement et la deuxième opération de réduction de section sont effectuées en continu.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le traitement thermique, le refroidissement et la deuxième opération de réduction de section sont effectuées à des vitesses de 1000 mètres/minute et plus.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la deuxième opération de réduction de section est suivie par un traitement de patentage, puis par une troisième opération de réduction de section à température ambiante.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la deuxième opération de réduction de section est suivie par un deuxième traitement thermique à une température comprise entre 400 et 600°C et par une troisième opération de réduction de section à température ambiante.
7. Procédé d'optention de fil d'acier au carbone destiné au renfort de pneumatiques, caractérisé par le fait qu'il comprend les phases de traitement selon l'une des revendications 1 à 6.
CH270778A 1977-03-14 1978-03-13 Procede d'obtention d'un element allonge en acier dur. CH627787A5 (fr)

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