EP0007883B1 - Procédé de traitement thermique de barres étirées en laiton au plomb - Google Patents

Procédé de traitement thermique de barres étirées en laiton au plomb Download PDF

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EP0007883B1
EP0007883B1 EP19790420034 EP79420034A EP0007883B1 EP 0007883 B1 EP0007883 B1 EP 0007883B1 EP 19790420034 EP19790420034 EP 19790420034 EP 79420034 A EP79420034 A EP 79420034A EP 0007883 B1 EP0007883 B1 EP 0007883B1
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EP
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annealing
brass
rods
lead
temperature
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EP19790420034
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EP0007883A1 (fr
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Adam Szyszkowski
Marc Moreau
Pierre Priester
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Trefimetaux SAS
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Trefimetaux SAS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon

Definitions

  • the present invention relates to a method of heat treatment of drawn brass bars, essentially comprising, in addition to copper, from 30 to 42% of zinc, from 1.5 to 4.5% of an element improving the machinability, so known, such as lead. They may also contain small quantities of other elements added as voluntary addition, such as aluminum, up to 2.5%, tin up to 1.3%, arsenic, from 0 , 03 to 0.1% or present as impurities, due to the recycling of waste, such as iron, up to 0.1%, silicon up to 0.01%.
  • Their structure can be single-phase a or two-phase a + p.
  • bars and wires of leaded brass of small dimensions having any cross-section of any shape: round, flat, polygonal, forming part of a circle of diameter which can range from 1 or 2 to 10 or 12 millimeters , these values being given for information only, without constituting a limitation of the invention.
  • bars brass wires and bars having dimensions and shapes included within the approximate limits defined above.
  • Leaded brass bars which are almost exclusively intended for bar turning, are generally obtained by spinning a billet followed by work hardening by drawing a few tens of percent, having in particular the effect of straightening the bars.
  • the presence of lead finely distributed in the mass of the brass makes it possible to obtain, during machining, and, in particular, during bar turning, small shavings which emerge well from the tool, which makes it possible to work on high speed automatic lathes, operating without supervision.
  • the production of long shavings coiling on themselves causes the defect well known under the name of "jamming", which involves frequent manual interventions by the operator. It is also possible to stretch brass bars by performing one or more intermediate anneals during drawing.
  • the object of the invention is a process for the heat treatment of lead-brass bars, having undergone at least an intermediate annealing, a process which makes it possible to give them improved machinability, providing a fine and short chip, which is particularly suitable for bar turning.
  • automatic and a structure such that at least 90% of the lead particles have their smallest dimension less than 1.5 micrometers, that the number of lead particles, counted on any section, is at least equal to 8000 per mm 2 and per percent lead, and that the phase ranges a consist of several twinned grains having an average diameter of less than 25 micrometers.
  • This process consists in carrying out after spinning and during drawing, at least one rapid annealing for a duration and at a temperature such that the work hardening is eliminated, without causing the coalescence of lead and without substantially modifying the structure and, in particular , the distribution of the phases a and in the case of two-phase brasses and the size of the grains of phase a.
  • This annealing is carried out at a temperature between 425 ° C and a temperature below 10 ° at the point of solidus of the brass and, preferably, at a temperature between 550 ° and 800 ° C for a time between 1/100 ° second and one minute by direct heating, and one second and ten minutes by indirect heating.
  • Figures 1, 2 and 3 show the shape of the brass shavings obtained in three cases, the third case ( Figure 3) corresponding to the implementation of the invention.
  • Figures 4 to 7 are micrographs of leaded brasses, corresponding to a spun-drawn product ( Figure 4), annealed according to the prior art ( Figure 5) and annealed according to the invention ( Figures 6 and 7).
  • a billet was first spun to the diameter of 5.8 mm; then, the 5.8 mm bar was drawn to the diameter of 5.2 mm; the small drawn bar was divided into three batches which underwent three different processing cycles: A and B according to the prior art and C according to the invention.
  • Cycle B annealing for an hour and a half in a passage oven set at 550 ° C.,. wire drawing up to a diameter of 4.8 mm, annealing for an hour and a half in a passage oven set at 550 ° C, wire drawing to a diameter of 4 mm.
  • This test was carried out under sufficiently selective machining conditions to differentiate the three batches from the point of view of chip form.
  • a brass billet of the same composition as in Example 1 was spun to a diameter of 6.4 mm.
  • the 6.4 bar was drawn to the diameter of 5.5 mm.
  • the small drawn bar was divided into four batches which underwent four annealing cycles, D, E, F and G, two according to the invention (D and E), two according to the prior art (F and G).
  • Cycle D annealing in a salt bath at 700 ° C. Several tests were carried out on fractions of this batch, with durations varying from 15 seconds to 2.5 minutes and air and water cooling, followed by stretching from 5.5 to 5 , 0 mm.
  • Cycle E rapid annealing by Joule effect with a current of the order of 2000 amperes, for 2.75 seconds followed by quenching with water, followed by stretching from 5.5 to 5.0 mm.
  • Cycle F annealed in static oven, 3 hours at 610 ° C; followed by air cooling, followed by stretching from 5.5 to 5.0 mm.
  • Cycle G annealing for 1 hour in a passage oven set at 550 ° C., followed by drawing from 5.5 to 5.0 mm.
  • Rapid annealing (by the Joule effect or in a salt bath) does not modify the distribution of lead in any way or slightly compared to that existing in the spun-drawn state.
  • static annealing and annealing in a passage furnace cause this element to coalesce.
  • the implementation of the process is not limited to the use of rapid annealing by the Joule effect or by immersion in a salt bath. Any means allowing the brass to be brought to a temperature higher than 425 ° C. for a variable duration, according to the temperature chosen, but in all cases less than 10 min, are suitable. In some cases, such as continuous Joule annealing, continuous measurement of the exact temperature is not always easy, but it is always at least 425 ° and generally at least 550 ° C.
  • the “indirect” methods imply a treatment time which can range from one second to ten minutes, depending on the ratio between the power of the heat source and the heat capacity of the bars to be annealed; “direct” methods allow much shorter treatment times, ranging from 1 / 100th of a second to a minute.
  • Comparative micrographic examinations made it possible to characterize the leaded brass bars, object of the invention, having undergone at least one intermediate annealing, by the distribution of the lead particles and the structure of the a phase.
  • FIG. 6 is a micrograph of a brass bar having undergone annealing, according to the invention, by electrical pulse of 2000 amps, of a duration of two seconds seventy five hundredths, followed by quenching with water. It is found that 90% of the particles have an average size of less than 1.5 micrometers. Their number has increased somewhat and reaches at least 8,000 per square millimeter and per percent lead.
  • the grains of phase a are recrystallized and strongly twinned. They have an average dimension of less than 25 micrometers and, more often than not, less than 20 micrometers, whereas after annealing according to the prior art, this dimension is around 40 micrometers.
  • the grains are twinned and the phase zones a consist of several grains.
  • FIG. 7 is a micrograph of a brass bar having undergone, during drawing, three intermediate anneals according to the invention, with diameters of 5.5, 4 and 3 mm, by electrical pulse of 2000 amperes for two seconds seventy five hundredths; followed each time by quenching.
  • lead particles are not appreciably modified and remain within the limits indicated above. However, some lead particles tend to take an elongated shape, but their smallest dimension, across, remains less than 1.5 micrometers.
  • bars are obtained during drawing, having an improved straightness compared to known methods, which is essential for feeding automatic lathes, where the bars must roll. on an inclined plane without entangling, and a narrower dimensional tolerance along the bars.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé de traitement thermique de barres étirées en laiton, comportant essentiellement, outre le cuivre, de 30 à 42 % de zinc, de 1,5 à 4,5 % d'un élément améliorant l'usinabilité, de façon connue, tel que le plomb. Elles peuvent également comporter de petites quantités d'autres éléments ajoutés à titre d'addition volontaire, tels que l'aluminium, jusqu'à 2,5 %, l'étain jusqu'à 1,3 %, l'arsenic, de 0,03 à 0,1 % ou présents en tant qu'impuretés, du fait du recyclage des déchets, tels que fer, jusqu'à 0,1 %, le silicium jusqu'à 0,01 %.
  • Leur structure peut être monophasée a ou diphasée a + p.
  • Elle s'applique plus particulièrement aux barres et fils de laiton au plomb de petites dimensions, ayant une section de forme quelconque : ronde, méplate, polygonale, s'inscrivant dans un cercle de diamètre pouvant aller de 1 ou 2 à 10 ou 12 millimètres, ces valeurs étant données à titre purement indicatif, sans constituer une limitation de l'invention. Dans tout ce qui suit, nous désignerons par le terme « barres » des fils et barres de laiton ayant des dimensions et formes comprises dans les limites approximatives définies ci-dessus.
  • Les barres en laiton au plomb, qui sont presque exclusivement destinées au décolletage, sont généralement obtenues par filage d'une billette suivi d'un écrouissage par étirage de quelques dizaines de pour-cent, ayant notamment pour effet de redresser les barres. La présence de plomb finement réparti dans la masse du laiton permet d'obtenir, lors de l'usinage, et, en particulier, lors du décolletage, des petits copeaux qui se dégagent bien de l'outil, ce qui permet de travailler sur des tours automatiques à grande cadence, fonctionnant sans surveillance. La production de longs copeaux s'enroulant sur eux- mêmes provoque le défaut bien connu sous le nom de « bourrage •, qui entraîne de fréquentes interventions manuelles de l'opérateur. Il est également possible d'étirer des barres de laiton en effectuant un ou plusieurs recuits intermédiaires en cours d'étirage.
  • Il est bien connu que le recuit intermédiaire classique effectué dans les fours statiques ou dans des fours à passage au cours des opérations d'étirage, en vue d'éliminer l'écrouissage, dénature l'usinabilité du laiton, tant du point de vue de la finesse des copeaux que du point de vue de la durée de vie de l'outil d'usinage. Cette dégradation est attribuée à la coalescence du plomb, c'est-à-dire au rassemblement, sous forme de globules, des fines inclusions réparties de façon sensiblement uniforme.
  • L'objet de l'invention est un procédé de traitement thermique de barres en laiton au plomb, ayant subi au moins un recuit intermédiaire, procédé permettant de leur conférer une usinabilité améliorée, fournissant un copeau fin et court, se prêtant particulièrement bien au décolletage automatique, et une structure telle que au moins 90 % des particules de plomb aient leur plus petite dimension inférieure à 1,5 micromètre, que le nombre de particules de plomb, comptées sur une section quelconque, soit au moins égal à 8 000 par mm2 et par pour cent de plomb, et que les plages de phase a soient constituées de plusieurs grains maclés ayant un diamètre moyen inférieur à 25 micromètres.
  • Ce procédé consiste à effectuer après filage et en cours d'étirage, au moins un recuit rapide pendant une durée et à une température telles que l'écrouissage est éliminé, sans provoquer la coalescence du plomb et sans modifier substantiellement la structure et, en particulier, la répartition des phases a et dans le cas de laitons diphasés et la dimension des grains de phase a.
  • Ce recuit est effectué à une température comprise entre 425 °C et une température inférieure à 10° au point de solidus du laiton et, de préférence, à une température comprise entre 550° et 800 °C pendant une durée comprise entre 1/100° de seconde et une minute, par chauffage direct, et une seconde et dix minutes par chauffage indirect.
  • Les figures 1, 2 et 3 montrent la forme des copeaux de laiton obtenus dans trois cas, le troisième cas (figure 3) correspondant à la mise en oeuvre de l'invention.
  • Les figures 4 à 7 sont des micrographies de laitons au plomb, correspondant à un produit filé-étiré (figure 4), recuit selon l'art antérieur (figure 5) et recuit selon l'invention (figures 6 et 7).
    • Exemple 1
  • On a opéré sur un laiton ayant la composition :
    Figure imgb0001
  • Une billette a d'abord été filée jusqu'au diamètre de 5,8 mm ; puis, la barre de 5,8 mm a été tréfilée jusqu'au diamètre de 5,2 mm ; la petite barre tréfilée a été divisée en trois lots qui ont subi trois cycles de transformation différents : A et B selon l'art antérieur et C selon l'invention.
  • Cycle A : recuit statique de trois heures à 610 °C,
    • tréfilage jusqu'au diamètre de 4,8 mm,
    • recuit de trois heures à 610 °C,
    • tréfilage jusqu'au diamètre de 4 mm.
  • Cycle B : recuit d'une heure et demi en four à passage réglé à 550 °C, . tréfilage jusqu'au diamètre de 4,8 mm, recuit d'une heure et demi en four à passage réglé à 550 °C, tréfilage jusqu'au diamètre de 4 mm.
  • Cycle C : recuit rapide par effet Joule (passage d'un courant électrique de l'ordre de 2 000 ampères pendant 2,75 secondes) suivi d'une trempe à l'eau,
    • tréfilage jusqu'au diamètre de 4,8 mm,
    • recuit rapide du même type que le précédent,
    • tréfilage jusqu'au diamètre de 4 mm.
  • Puis, on a mesuré les caractéristiques mécaniques de chacun des produits : (R = charge de rupture, LE = limite élastique, A = allongements).
    Figure imgb0002
  • On constate qu'elles sont relativement peu différentes quel que soit le cycle mis en oeuvre. Le recuit rapide par effet Joule conduit à une charge de rupture et à une limite élastique légèrement plus élevées, mais à un même niveau d'allongement (mesuré sur une longueur égale à 5 fois le diamètre du produit testé).
  • Si le recuit rapide par effet Joule est suivi d'un refroidissement à l'air au lieu d'une trempe à l'eau, les valeurs de R et LE sont légèrement plus faibles que celles indiquées ci-dessus ; en revanche. A % sera plus élevé.
    • Essai d'usinabilité
  • Cet essai a été réalisé dans des conditions d'usinage suffisamment sélectives pour différencier les trois lots du point de vue forme du copeau.
  • Ces conditions sont :
    • - vii=sse 100 m/mn
    • - avance 0,06 mm/tour
    • - profondeur de coupe 2 mm sur rayon
    • - outil carbure
  • Les figures 1 à 3 illustrent la forme du copeau obtenu pour chaque lot :
    • - le recuit par effet Joule (cycle C) donne une tournure très fine (figure 3) souhaitée par les décolleteurs,
    • - les recuits correspondant aux cycles A et B donnent des copeaux de trop grande dimension (figures 1 et 2), principalement le cycle A, qui gênent le travail sur tour automatique.
    Exemple 2
  • Une billette en laiton de même composition que dans l'exemple 1 a été filée jusqu'au diamètre de 6,4 mm.
  • La barre de 6,4 a été tréfilée jusqu'au diamètre de 5,5 mm. La petite barre tréfilée a été divisée en quatre lots qui ont subi quatre cycles de recuits, D, E, F et G, deux selon l'invention (D et E), deux selon l'art antérieur (F et G).
  • Cycle D : recuit en bain de sel à 700 °C. On a procédé à plusieurs essais, sur des fractions de ce lot, avec des durées variant de 15 secondes à 2,5 minutes et des refroidissements à l'air et à l'eau, suivi d'un étirage de 5,5 à 5,0 mm.
  • Cycle E : recuit rapide par effet Joule avec un courant de l'ordre de 2000 ampères, pendant 2,75 secondes suivi d'une trempe à l'eau, suivi d'un étirage de 5,5 à 5,0 mm.
  • Cycle F : recuit en four statique, 3 heures à 610 °C ; suivi d'un refroidissement à l'air, suivi d'un étirage de 5,5 à 5,0 mm.
  • Cycle G : recuit de 1 heure en four à passage réglé à 550 °C, suivi d'un étirage de 5,5 à 5,0 mm.
  • Puis on procède sur chaque lot soumis aux cycles D, E, F et G, à des essais de décolletage sur tour automatique dans les conditions suivantes :
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
  • Résultats :
    • Tous les recuits rapides ont donné des copeaux très fins (quelle que soit la vitesse de refroidissement), tandis que le recuit statique et le recuit dans le four à passage ont donné des copeaux plus ou moins longs, mais qui, dans tous les cas, sont considérés comme gênants.
  • Les recuits rapides (par effet Joule ou en bain de sels) ne modifient pas ou peu la répartition du plomb par rapport à celle existant à l'état filé-étiré. Par contre, le recuit statique et le recuit en four à passage provoquent la coalescence de cet élément.
  • Bien entendu, la mise en oeuvre du procédé n'est pas limitée à l'utilisation du recuit rapide par effet Joule ou par immersion en bain de sel. Tous moyens permettant de porter le laiton à une température supérieure à 425 °C pendant une durée variable, selon la température choisie, mais dans tous les cas inférieure à 10 mn, conviennent. Dans certains cas, tels que le recuit continu par effet Joule, la mesure continue de la température exacte n'est pas toujours aisée, mais elle est toujours au moins égale à 425° et généralement au moins égale à 550 °C.
  • Il est également apparu que les procédés permettant de porter les barres en laiton à recuire à une température comprise entre 425° et 10° en-dessous de la température de solidus pouvaient être classés en deux catégories, ceux dans lesquels la chaleur est apportée par une source extérieure, par rayonnement et/ou convection et/ou conduction, que nous appellerons pour simplifier « à chauffage indirect » et ceux dans lesquels la chaleur est dissipée au sein même des barres à recuire, et que nous appellerons pour simplifier « à chauffage direct • , et notamment l'effet Joule (décharge de condensateur, induction, etc...). Les procédés « indirects impliquent une durée de traitement pouvant aller de une seconde à dix minutes, selon le rapport entre la puissance de la source de chaleur et la capacité calorifique des barres à recuire ; les procédés « directs permettent des durées de traitement beaucoup plus courtes, pouvant aller de 1/100e de seconde à une minute.
  • Parmi les procédés relevant de la première catégorie, on peut citer les fours électriques à résistance, les fours à gaz à rayonnement ou à action directe de la flamme sur le produit à traiter, les fours à bain de sel ou à lit fluidisé.
  • Dans la deuxième catégorie, on peut citer le procédé et l'appareillage de recuit continu, décrits dans le brevet français n° 2 288 152, au nom de Tréfimétaux, qui consiste à induire un courant à haute fréquence dans une boucle formée par le produit à recuire, qui défile à grande vitesse, boucle qui se referme dans la gorge d'une poulie où la partie du produit déjà recuite et refroidie vient se superposer à la partie non encore recuite.
  • Des examens micrographiques comparatifs ont permis de caractériser les barres en laiton au plomb, objet de l'invention, ayant subi au moins un recuit intermédiaire, par la répartition des particules de plomb et la structure de la phase a.
  • Dans une barre de laiton au plomb filée et étirée, on observe une répartition assez régulière des particules de plomb, qui apparaissent nettement en noir sur la micrographie figure 4. Leur dimension est, en moyenne, inférieure à 1,5 micromètre. Sur une section quelconque, on peut compter, en moyenne, 7 000 particules par millimètre-carré et par pour-cent de plomb dans le laiton.
  • Après recuit selon l'art antérieur (exemple 1, cycles A et B, exemple 2, cycles F et G), on constate (figure 5), une coalescence importante des particules dont les dimensions peuvent atteindre de 3 à 5 micromètres et dont le nombre, corrélativement, est descendu à 3 500 par millimètre carré et par pour-cent de plomb contenu.
  • La figure 6 est une micrographie d'une barre de laiton ayant subi un recuit, selon l'invention, par impulsion électrique de 2000 ampères, d'une durée de deux secondes soixante quinze centièmes, suivi d'une trempe à l'eau. On constate que 90 % des particules ont une dimension moyenne inférieure à 1,5 micromètre. Leur nombre a augmenté quelque peu et il atteint au moins 8 000 par millimètre carré et par pour-cent de plomb.
  • En outre, les grains de phase a sont recristallisés et fortement maclés. Ils ont une dimension moyenne inférieure à 25 micromètres et, le plus souvent, inférieure à 20 micromètres alors qu'après recuit selon l'art antérieur, cette dimension est d'environ 40 micromètres.
  • En outre, les grains sont maclés et les plages de phase a sont constituées de plusieurs grains.
  • La figure 7 est une micrographie d'une barre de laiton ayant subi, en cours d'étirage, trois recuits intermédiaires selon l'invention, aux diamètres de 5,5, 4 et 3 mm, par impulsion électrique de 2000 ampères pendant deux secondes soixante quinze centièmes; suivis chaque fois d'une trempe.
  • On constate que le nombre et la dimension des particules de plomb ne sont pas sensiblement modifiés et restent dans les limites indiquées plus haut. Toutefois, certaines particules de plomb tendent à prendre une forme allongée, mais leur plus petite dimension, en travers, reste inférieure à 1,5 micromètre.
  • Parmi les divers avantages du traitement thermique par recuit rapide selon l'invention et qui sont plus particulièrement marqués dans le cas où l'on met en oeuvre les procédés de chauffage direct, on peut mentionner la possibilité de recuire directement les barres en laiton, en continu, à la suite de la ligne de tréfilage et une amélioration sensible de l'état de surface, en raison du faible temps de séjour à température élevée qui, dans la plupart des cas, supprime la nécessité du décapage ou, tout au moins, le simplifie et permet d'opérer, si nécessaire, un décapage rapide en continu, par voie chimique ou électrochimique, et on constate également une augmentation très sensible de la durée de vie des outillages de décolletage.
  • Enfin, du fait de l'excellente homogénéité du recuit, on obtient, lors de l'étirage, des barres ayant une rectitude améliorée par rapport aux procédés connus, ce qui est essentiel pour l'alimentation des tours automatiques, où les barres doivent rouler sur un plan incliné sans s'enchevêtrer, et une tolérance dimensionnelle plus étroite tout au long des barres.

Claims (3)

1. Procédé de traitement thermique de barres étirées en laiton comportant essentiellement, outre le cuivre, de 30 à 42 % de zinc, de 1,5 à 4,5 % de plomb, et pouvant comporter également jusqu'à 2,5 % d'aluminium, jusqu'à 1,3 % d'étain, de 0,03 à 0,1 % d'arsenic, jusqu'à 0,1 % de fer, jusqu'à 0,01 % de silicium, caractérisé en ce que 'lesdites barres sont portées à une température comprise entre 425°C et 10°C en-dessous de la température de solidus du laiton, et, de préférence, entre 550 °C et 800 °C, pendant une durée comprise entre 1/100e de.seconde et 10 minutes.
2. Procédé de traitement thermique de barres étirées en laiton, selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites barres sont portées à la température de traitement par un moyen de chauffage indirect, pendant une durée comprise entre une seconde et dix minutes.
3. Procédé de traitement thermique de barres étirées en laiton, selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites barres sont portées à la température de traitement par un moyen de chauffage direct, tel que l'effet Joule, pendant une durée comprise entre 1/100e de seconde et 1 minute.
EP19790420034 1978-07-31 1979-07-27 Procédé de traitement thermique de barres étirées en laiton au plomb Expired EP0007883B1 (fr)

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EP0007883A1 EP0007883A1 (fr) 1980-02-06
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