EP0090682B1 - Heat treating method and apparatus for making rods of alloy steel ready for use - Google Patents
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- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/62—Quenching devices
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- C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
- C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
Definitions
- the invention relates to the field of heat treatment of metal bars at the end of rolling and more particularly relates to the direct production of quenching structures, preferably martensite, and optionally bainite, in the useful part of steel, intended in particular for mechanical construction.
- the steel industry currently delivers alloy steels with improved machinability which exhibit, with the quenched and tempered effect, machinability comparable to that of conventional steels of the same composition but in the annealed state. Consequently, the possibility of machining certain parts from bars having the final characteristics of use is of considerable economic interest, in particular due to the elimination of annealing for machining on a blank, of the quenching and tempering treatment for the user, or resuming machining by rectification.
- Direct quenching in a swimming pool of water would, for its part, be insufficiently rapid for the largest diameters and would risk leading to bar bending (due to the asymmetries of treatment), or to curls (due to the setting in tension of the fragile peripheral layer of martensite during the swelling linked to the subsequent transformation of the heart).
- Document DD-119270 describes a quenching treatment interrupted in at least two steps immediately following rolling.
- a steel bar first undergoes a very rapid quenching bringing its peripheral part to a temperature lower than the martensitic transformation temperature of the steel considered. Then the quenching is interrupted so as to allow the temperatures of the core and the periphery of the product to equalize. Finally the bar is subjected to a second less energetic quenching at the end of which the core of the bar is transformed into martensite.
- the whole treatment lasts about 1.5 s and is only intended for products with a very small section, for example with a diameter of 10 mm.
- the object of the invention is to obtain, without bending or taping, quenching structures in the section of ready-to-use rolled alloy steel bars having large diameters.
- the invention also relates to an installation for implementing the method successively comprising, in the direction of travel of the product, means enabling a forced cooling of the bars in the parade according to step a) ensuring an average heat exchange coefficient greater than 5.103W / m2. ° C, and a chiller with movable beams ensuring a regular translation "with crawl steps” and a slow rotation on itself of the bar, said cooler being equipped with forced cooling means.
- the cooling means according to step a) consist of at least one water box where the bar is wrapped in a sheet of water flowing collinearly with the bar.
- the means for the more moderate forced cooling of the stage can be constituted by oscillating ramps with water spraying, or a pool of water or oil.
- FIG. 1 shows, by way of example only intended to better understand the technical field of the invention, a diagram, of current use in thermal treatments, which represents on a temperature-time graph , the different micrographic constituents resulting, according to the cooling laws considered, from the transformation ⁇ ⁇ ⁇ of the metastable austenite identified 1.
- rapid cooling laws lead to the instantaneous formation of martensite 2 as soon as the temperature of the metal drops below the temperature Ms of the steel (310 ° C. in the example chosen).
- very slow cooling laws lead to the formation of ferrite 3 and perlite 4 at temperatures above 600 ° C.
- intermediate cooling laws lead to the formation of bainite 5 and of a volume fraction which is all the more significant in martensite as the end of cooling is accelerated.
- the operating modes of the above-described installation depend, at each cooling step, on the bar diameter considered, on the exit speed of the rolling mill, on the hardenability of the steel grade considered and on the desired structures at the heart of the bars.
- the necessary cooling times have been seen depending on the diameter of the bars for a heat exchange coefficient of the quenching device of the order of 104 w / m2. ° C. Knowing the exit speeds in rolling and the temperatures at the end of rolling, we can deduce the necessary quenching lengths.
- a limiting case is that where the speed of movement of the bar and the hardenability of the grade considered allows the following evolution of the average temperature of the section: end of rolling around 900 ° C., crossing of a first box with blade d water from 900 to 600 ° C, natural cooling in 1 to 2 minutes, passing through a second box with a blade of water from 600 to 400 - 300 ° C before final tempering.
- the bar 20 comes out of the last stand of the rolling mill 21 to enter one or two boxes 22 with circulation of a water blade of the type of those described in patent application EP-A-0020246.
- This bar is extracted at regular speed from the water boxes using the extractors 23, then slowed down to a stop on a line of braking rollers 24.
- a tilting device 25 allows the bar to be placed on a cooler 29 with movable beams performing a movement in "no pilgrim" to ensure the bar a slow translation and rotation on itself.
- the cooler 29 has three zones, marked 26, 27 and 28a. Zone 26 corresponds to the natural cooling of step b) according to the invention.
- Zone 27 is a natural cooling of evacuation of the bars after the forced cooling phase ensured in zone 28a, but we can possibly start the final income from this zone 27.
- zone 28a corresponds to forced cooling of the step c) according to the invention. This cooling is, in this example, ensured by water spraying ramps parallel to the bars and driven in a longitudinal movement back and forth sufficient for the treatment to be uniform along the bars.
- FIG. 3 corresponds exactly to the description of FIG. 2, with the exception of the forced cooling of step c) which is carried out at 28b by progressive immersion in a pool of water or oil.
- An advantageous device of inclined planes not shown allows the progressive introduction and extraction of the bars.
- Figure 5 corresponds to the same representations as Figure 4, but with a 3rd cooling step according to the invention (step c) characterized by a heat exchange coefficient of 103 W / m2. ° C.
- the martensitic transformation conditions were carried out substantially from the core up to 0 ⁇ 15 ⁇ 4 mm from the skin, the annular peripheral layer consisting of self-returning martensite.
- a subsequent tempering of one hour at 500 ° C. on this bar made it possible to obtain a roughly uniform mechanical resistance throughout the section and close to 1000 N / mm2.
- the Charpy V resilience measured at the core of the bar was only 40 J / cm2 at room temperature.
- a step c) corresponding to quenching up to 100 ° C characterized by an average exchange coefficient of the order of 103 w / m2. ° C we follow, at the heart of a 0 ⁇ 60 mm bar, the law 41 of Figure 5. The transformation is then entirely martensitic over the entire section, (a final oil quenching, significantly less effective, would have still leads to 70% martensite at heart). For bars of 100 and 150 mm in diameter, almost three-quarters of the core transformation takes place below 400 ° C with almost 50% martensite. In all cases, an hour's income at 600 ° C made it possible to obtain a resistance of the order of 1000 N / mm2 and a Charpy V resilience to the ambient greater than 60 J / cm2.
- the process according to the invention also lends itself well to the recovery of rolling operations completed at low temperature (around 850 ° C.), which make it possible to keep a hardened austenite which is not recrystallized at the time of the transformation ⁇ ⁇ ⁇ .
- the inheritance of the crystalline defects of the hardened austenite will be all the more interesting that one will pass quickly to temperatures where the restoration of austenite is difficult, then to final structures of hardening.
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Abstract
Description
L'invention se situe dans le domaine des traitements thermiques des barres métalliques en fin de laminage et concerne plus spécialement l'obtention directe de structures de trempe, de préférence de la martensite, et éventuellement de la bainite, dans la partie utile de barres en acier, destinées notamment à la construction mécanique.The invention relates to the field of heat treatment of metal bars at the end of rolling and more particularly relates to the direct production of quenching structures, preferably martensite, and optionally bainite, in the useful part of steel, intended in particular for mechanical construction.
La sidérurgie livre actuellement des aciers alliés à usinabilité améliorée qui présentent, à l'effet trempé et revenu, une usinabilité comparable a celle des aciers classiques de même composition mais à l'état recuit. Dès lors, la possibilité d'usiner certaines pièces à partir de barres ayant les caractéristiques finales d'emploi présente un intérêt économique considérable, notamment du fait des suppressions du recuit pour usinage sur ébauche, du traitement de trempe et revenu pour l'utilisateur, ou des reprises d'usinage par rectification.The steel industry currently delivers alloy steels with improved machinability which exhibit, with the quenched and tempered effect, machinability comparable to that of conventional steels of the same composition but in the annealed state. Consequently, the possibility of machining certain parts from bars having the final characteristics of use is of considerable economic interest, in particular due to the elimination of annealing for machining on a blank, of the quenching and tempering treatment for the user, or resuming machining by rectification.
Il en résulte une simplification des cycles de fabrication, une réduction des frais de traitements thermiques et un gain sur les délais d'exécution.This results in a simplification of the manufacturing cycles, a reduction in the costs of heat treatments and a gain on the execution times.
On peut de surcroît, réaliser l'économie de l'austénitisation en procédant à la trempe des barres dans la "chaude" de laminage elle-même. Il est même possible d'obtenir en fin de laminage un état austénitique plus intéressant que celui résultant d'une austénitisation classique en raison d'une mise en solution plus complète des éléments d'addition au préchauffage, d'une taille de grain austénitique adaptable à la trempabilité désirée, et d'un état d'écrouissage de l'austénite, plus favorable au moment de la transformation γ → α.It is also possible to save austenitization by quenching the bars in the "hot" rolling itself. It is even possible to obtain at the end of the rolling an austenitic state more interesting than that resulting from a conventional austenitization due to a more complete dissolution of the elements of addition to preheating, of an adaptable austenitic grain size to the desired quenchability, and a state of hardening of the austenite, more favorable at the time of the transformation γ → α.
Les raisons pour lesquelles ces traitements de barres ne sont guère développés jusqu'ici tiennent surtout à la maîtrise du refroidissement dans la chaude de laminage. Il faut savoir d'abord que les industries mécaniques sont surtout intéressées par des barres de diamètre important (50 - 150 mm) en nuances mi-dures, qui sont pratiquement les seules permettant d'obtenir à coeur de ces barres des résistances de l'ordre de 1000 N/mm². Obtenir une structure de trempe à coeur de barres d'aussi fort diamètre exige un acier relativement trempant (42CD4, par exemple) et une vitesse de trempe élevée. Les risques de tapures sont alors importants, même si, la durée de traitement n'étant pas limitée, on peut adopter le milieu de trempe le moins sévère compatible avec le diamètre de la barre et la trempabilité de la nuance d'acier.The reasons why these bar treatments are hardly developed so far are mainly due to the control of cooling in the hot rolling. It should first be known that the mechanical industries are mainly interested in bars of large diameter (50 - 150 mm) in semi-hard grades, which are practically the only ones making it possible to obtain at the heart of these bars resistances of the around 1000 N / mm². Obtain a quenching structure at the heart of bars such a large diameter requires relatively hardening steel (42CD4, for example) and a high hardening speed. The risks of scuffing are then significant, even if, the duration of treatment not being limited, it is possible to adopt the least severe quenching medium compatible with the diameter of the bar and the hardenability of the steel grade.
La situation se complique encore pour les trempes au défilé juste après laminage. Il faut se rappeler que les plus importants coefficients d'échange thermique que l'on sache réaliser pratiquement sur barres lissées sont actuellement de l'ordre de 10⁴W/m².°C (soit 10⁴ kcal/m².h°C), et qu'il faudrait environ 20 secondes de traversée d'un milieu de trempe caractérisé par cette efficacité pour que la température moyenne d'une barre de 60 mm de diamètre passe de 900 à 400°C. (On rappelle que la température moyenne dansla section d'une barre de rayon R est définie par
Le document DD-119270 décrit un traitement de trempe interrompue en au moins deux étapes suivant immédiatement le laminage. Une barre d'acier subit d'abord une trempe très rapide portant sa partie périphérique à une température inférieure à la température de transformation martensitique de l'acier considéré. Puis la trempe est interrompue de manière à laisser s'égaliser les températures du coeur et de la périphérie du produit. Enfin la barre est soumise à une deuxième trempe moins énergique à l'issue de laquelle le coeur de la barre est transformé en martensite. L'ensemble du traitement dure environ 1,5 s et s'adresse uniquement à des produits de très faible section, par exemple de diamètre 10 mm.Document DD-119270 describes a quenching treatment interrupted in at least two steps immediately following rolling. A steel bar first undergoes a very rapid quenching bringing its peripheral part to a temperature lower than the martensitic transformation temperature of the steel considered. Then the quenching is interrupted so as to allow the temperatures of the core and the periphery of the product to equalize. Finally the bar is subjected to a second less energetic quenching at the end of which the core of the bar is transformed into martensite. The whole treatment lasts about 1.5 s and is only intended for products with a very small section, for example with a diameter of 10 mm.
L'invention a pour but l'obtention, sans cintrages ni tapures, de structures de trempe dans la section de barres en aciers alliés laminés prêtes à l'emploi présentant de forts diamètres.The object of the invention is to obtain, without bending or taping, quenching structures in the section of ready-to-use rolled alloy steel bars having large diameters.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de traitement thermique de barres en acier allié de diamètre 50 à 150 mm consistant à faire subir à la barre laminée dans la chaude de laminage, une trempe étagée comprenant les trois étapes successives suivantes :
- a) juste après le laminage, on soumet la barre au défilé à l'action d'un milieu de trempe extrêmement sévère, présentant un coefficient d'échange thermique de l'ordre de 10⁴W/m².°C de manière à porter sa température moyenne vers 600-550 °C et à former une couche superficielle de martensite tout en évitant la formation de ferrite et de perlite à coeur.
- b) on laisse ensuite refroidir la barre naturellement à l'air - ou dans un milieu faiblement refroidissant analogue - jusqu'à parvenir sensiblement à une réhomogénéisation thermique dans la section vers 550°C, tout en évitant une formation significative de perlite ou de bainite à coeur.
- c) puis on soumet à nouveau la barre à un refroidissement forcé, de sévérité moins forte que celle mise en jeu dans l'étape a) pour que la température du coeur descende en dessous de 300°C environ en un temps compatible avec les cinétiques de transformation martensitique principalement, et bainitique, de la nuance d'acier mise en oeuvre.
- a) just after rolling, the bar is subjected to the process of action by an extremely severe quenching medium, having a heat exchange coefficient of the order of 10⁴W / m². ° C so as to bring its temperature average around 600-550 ° C and to form a surface layer of martensite while avoiding the formation of ferrite and perlite at the core.
- b) the bar is then allowed to cool naturally in air - or in a similar weakly cooling medium - until substantially thermal rehomogenization is achieved in the section around 550 ° C., while avoiding significant formation of perlite or bainite to heart.
- c) then the bar is again subjected to forced cooling, of less severe severity than that involved in step a) so that the temperature of the core drops below about 300 ° C. in a time compatible with the kinetics mainly martensitic and bainitic transformation of the steel grade used.
L'invention a également pour objet une installation pour le mise en oeuvre du procédé comprenant successivement dans le sens de défilement du produit des moyens permettant d'assurer un refroidissement forcé des barres au défilé selon l'étape a) assurant un coefficient d'échange thermique moyen supérieur à 5.10³W/m².°C, et un refroidissoir à longerons mobiles assurant une translation régulière "à pas de pélerin" et une rotation lente sur elle-même de la barre, ledit refroidissoir étant équipé de moyens de refroidissement forcé.The invention also relates to an installation for implementing the method successively comprising, in the direction of travel of the product, means enabling a forced cooling of the bars in the parade according to step a) ensuring an average heat exchange coefficient greater than 5.10³W / m². ° C, and a chiller with movable beams ensuring a regular translation "with pilgrim steps" and a slow rotation on itself of the bar, said cooler being equipped with forced cooling means.
Avantageusement, les moyens de refroidissement selon l'étape a) sont constitués par au moins une boîte à eau où la barre est enveloppée dans une lame d'eau circulant colinéairement avec la barre. Les moyens pour le refroidissement forcé plus modéré de l'étape peuvent être constitués par des rampes oscillantes à pulvérisation d'eau, ou une piscine d'eau ou d'huile.Advantageously, the cooling means according to step a) consist of at least one water box where the bar is wrapped in a sheet of water flowing collinearly with the bar. The means for the more moderate forced cooling of the stage can be constituted by oscillating ramps with water spraying, or a pool of water or oil.
Pour bien faire comprendre l'invention, on reprend ci-après en détail les trois étapes successives en se référant aux planches de dessins annexées sur lesquelles :
- la figure 1 représente un diagramme de transformation en refroidissement continu d'un acier de construction mécanique du
type 42 CD4 (0,42 % de C, 0,7 % de Mn, 1 % de Cr, 0,20 % de Mo) après une austénitisation vers 850 - 900 °C conférant à la structure austénitique une taille de grain de l'ordre de 20 µm ; - la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d'une installation de mise en oeuvre de l'invention ;
- la figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation d'une telle installation ;
- la figure 4 représente schématiquement des exemples de conditions de transformation sur trois diamètres différents de barres en
acier 42 CD4 traitées selon une variante simplifiée de l'invention ; - la figure 5 représente schématiquement des exemples de conditions de transformation obtenues sur trois diamètres différents de barres en
acier 42 CD4 traitées selon une variante complète du procédé selon l'invention.
- Figure 1 shows a transformation diagram in continuous cooling of a mechanical steel of the 42 CD4 type (0.42% of C, 0.7% of Mn, 1% of Cr, 0.20% of Mo) after an austenitization around 850 - 900 ° C giving the austenitic structure a grain size of the order of 20 μm;
- FIG. 2 schematically represents an embodiment of an installation for implementing the invention;
- FIG. 3 schematically represents another embodiment of such an installation;
- FIG. 4 schematically represents examples of processing conditions on three different diameters of 42 CD4 steel bars treated according to a simplified variant of the invention;
- FIG. 5 schematically represents examples of processing conditions obtained on three different diameters of 42 CD4 steel bars treated according to a complete variant of the method according to the invention.
La première étape du procédé' notée a), répond à deux objectifs :
- former une couche annulaire superficielle de martensite,
- éviter la formation de perlite dans la plus grande partie de la section de la barre.
- form a surface annular layer of martensite,
- avoid the formation of perlite in most of the bar section.
Pour illustrer ces deux objectifs, la figure 1 montre, à titre d'exemple uniquement destiné à mieux faire comprendre le domaine technique de l'invention, un diagramme, d'un usage courant en traitements thermiques, qui représente sur un graphique température-temps, les différents constituants micrographiques résultant, suivant les lois de refroidissement considérées, de la transformation γ → α de l'austénite métastable repérée 1. Ainsi des lois de refroidissement rapides conduisent à la formation instantanée de martensite 2 dès que la température du métal descend en-dessous de la température Ms de l'acier (310 °C dans l'exemple choisi). A l'opposé, des lois de refroidissement très lentes conduisent à la formation de ferrite 3 et perlite 4 à des températures supérieures à 600 °C. Enfin, des lois de refroidissement intermédiaires conduisent à la formation de bainite 5 et d'une fraction volumique d'autant plus importante de martensite que la fin de refroidissement est accélérée.To illustrate these two objectives, FIG. 1 shows, by way of example only intended to better understand the technical field of the invention, a diagram, of current use in thermal treatments, which represents on a temperature-time graph , the different micrographic constituents resulting, according to the cooling laws considered, from the transformation γ → α of the metastable austenite identified 1. Thus rapid cooling laws lead to the instantaneous formation of
Il faut se rappeler qu'en règle générale, une martensite revenue a une meilleure ténacité qu'une structure bainitique revenue à même niveau de résistance finale. De façon générale, si l'installation est équipée d'une station pour un revenu final, on recherchera, pour obtenir de bonnes caractéristiques mécaniques et améliorer l'homogénéité des structures dans la section, à obtenir dans la plus grosse partie de cette dernière des structures formées aux plus basses températures possibles. Pour guider dans le choix du cycle de refroidissement, les diagrammes de transformation du type de celui présenté à la figure 1 présentent toutefois un certain nombre de limites. D'abord, la forme du cycle thermique au-dessus de la température A₃ de l'acier où a lieu le début de transformation γ ⇄ α (800°C dans le cas présenté) n'a généralement pas d'influence. On peut donc ne considérer les cycles thermiques qu'à partir de cette température, comme cela a été fait à la figure 1. Plus délicat est le fait que les conditions de transformation ne sont déterminées que pour les lois continues ayant servi à établir le diagramme. On ne peut donc en toute rigueur superposer à ce diagramme, pour prévoir les structures finales, des cycles thermiques complexes tels que ceux préconisés par l'invention. Ainsi lors d'une trempe sévère interrompue au défilé, une couche superficielle voit sa température chuter rapidement en-dessous du point Ms puis remonter au niveau de la température moyenne de la section en fin de trempe. Au contraire, le coeur de barre ne voit sa température baisser qu'après l'entrée dans le dispositif de trempe et n'atteindre que très lentement la température moyenne en fin de trempe. Toutefois, l'observation d'un diagramme tel que celui de la figure 1 suggère quelques remarques. On ne formera pas de ferrite-perlite dans ce cas particulier si tous les points de la section voient leur température passer de 800 à 650 °C en moins de 150 secondes. Par ailleurs, un domaine de métastabilité de l'austénite entre les températures (supérieures à 600 °C) de formation de la perlite et celles (inférieures à 550°C) de formation de la bainite permettra une réhomogénéisation thermique naturelle de la barre vers 575 °C sans transformation notable de l'austénite. Enfin, dans le cas présenté à la figure 1, des vitesses de refroidissement supérieures à 3 °C/s entre 550 et 300 °C sont nécessaires pour repousser les transformations de la bainite vers la martensite plus intéressante.It should be remembered that, as a general rule, a returned martensite has better toughness than a returned bainitic structure with the same final level of resistance. In general, if the installation is equipped with a station for a final income, we will seek, in order to obtain good mechanical characteristics and improve the homogeneity of the structures in the section, to obtain, in most of this section, structures formed at the lowest possible temperatures. To guide in the choice of the cooling cycle, transformation diagrams of the type presented in FIG. 1 however have a certain number of limits. First, the shape of the thermal cycle above the temperature A₃ of the steel where the start of transformation γ ⇄ α takes place (800 ° C in the case presented) generally has no influence. We can therefore consider the thermal cycles only from this temperature, as was done in Figure 1. More delicate is the fact that the transformation conditions are determined only for the continuous laws used to establish the diagram . It is therefore not strictly possible to superimpose on this diagram, to predict the final structures, complex thermal cycles such as those recommended by the invention. Thus during a severe quenching interrupted during the parade, a surface layer sees its temperature drop quickly below the point Ms and then rise to the level of the average temperature of the section at the end of quenching. On the contrary, the bar core does not see its temperature drop until after entering the quenching device and only very slowly reach the average temperature at the end of quenching. However, looking at a diagram like the one in Figure 1 suggests some remarks. We will not form ferrite-perlite in this particular case if all the points of the section have their temperature drop from 800 to 650 ° C in less than 150 seconds. Furthermore, an austenite metastability domain between the temperatures (above 600 ° C) of perlite formation and those (below 550 ° C) of bainite formation will allow natural thermal rehomogenization of the bar around 575 ° C without significant transformation of the austenite. Finally, in the case presented in FIG. 1, cooling rates greater than 3 ° C / s between 550 and 300 ° C are necessary to repel the transformations from bainite to more interesting martensite.
Pour revenir aux deux objectifs qui ont été assignés à la première étape de refroidissement des barres, on indique :
- que l'épaisseur de martensite superficielle sera d'autant plus forte que la sévérité de trempe et le diamètre de barre seront élevés. Un coefficient d'échange thermique de 10⁴ w/m² . °C donne, par exemple sur une barre de 0̸ = 60 mm de diamètre, une couche de martensite d'épaisseur
- qu'un coefficient d'échange thermique de l'ordre de 10⁴ W/m² . °C permet d'éviter la formation de perlite sur des barres de diamètre allant jusqu'à 150 mm laminées dans la
nuance 42 CD4 correspondant au diagramme de la figure 1. Les durées de trempe entre 900 °C et une température moyenne de 600 °C seraient alors respectivement de 7,5 , 17 et 35 s pour des diamètres de 60, 100 et 150 mm, ce qui permet d'envisager des longueurs de traitement raisonnables. Il faut d'ailleurs noter que, pour les plus forts diamètres, une augmentation du coefficient d'échange thermique serait aussi nécessaire qu'une augmentation de la trempabilité de l'acier (addition de manganèse, molybdène, bore ...).
- the greater the thickness of surface martensite, the higher the quenching severity and the bar diameter. A heat exchange coefficient of 10⁴ w / m². ° C gives, for example on a bar of 0̸ = 60 mm in diameter, a layer of thick martensite
- a heat exchange coefficient of the order of 10⁴ W / m². ° C avoids the formation of perlite on bars up to 150 mm in diameter rolled in
grade 42 CD4 corresponding to the diagram in Figure 1. The quench times between 900 ° C and an average temperature of 600 ° C would then be 7.5, 17 and 35 s respectively for diameters of 60, 100 and 150 mm, which makes it possible to envisage reasonable treatment lengths. It should also be noted that, for larger diameters, an increase in the heat exchange coefficient would be as necessary as an increase in the hardenability of the steel (addition of manganese, molybdenum, boron, etc.).
Pour ce qui concerne maintenant la 2ème étape, ou 2ème phase du procédé, notée b), la réhomogénéisation thermique naturelle à l'air de la barre autour de 550 °C dure généralement de 1 à 2 minutes et permet :
- au coeur de la barre, de voir la température passer en-dessous de 600 °C sans transformation notable en perlite ou bainite ;
- à la couche annulaire superficielle de martensite, de voir améliorer sa ténacité par un auto-revenu de l'ordre de la minute au-dessus de 500 °C.
- at the heart of the bar, to see the temperature drop below 600 ° C without significant transformation into perlite or bainite;
- to the annular surface layer of martensite, to see its toughness improved by a self-income of the order of per minute above 500 ° C.
Enfin, au sujet de la 3ème étape du traitement, notée c), on doit, après l'homogénéisation thermique de la phase précédente, comme l'on recherche des structures essentiellement martensitiques à coeur, soumettre la barre à un second refroidissement forcé permettant à la température du coeur de descendre en-dessous de 300 °C en un temps compatible avec les cinétiques de transformation martensitique principalement, et éventuellement bainitique de l'acier considéré. De fait, les bainites "inférieures" (celles formées à des températures un peu supérieures à Ms) ont, après revenu, des caractéristiques mécaniques comparables à celle de la martensite, si bien qu'il suffit souvent d'accélérer le refroidissement entre 550 et 400 °C. Pour des nuances particulièrement trempantes et (ou) des diamètres peu importants, un simple refroidissement naturel ou légèrement accéléré sera suffisant. A titre d'exemple, il suffit, dans le cas de la nuance 42 CD4 présentée à la figure 1, d'un refroidissement a plus de 4 ou 5 °C/s entre 550 et 300 °C pour obtenir une structure essentiellement martensitique à coeur de barre.Finally, on the subject of the 3rd stage of treatment, noted c), after the thermal homogenization of the previous phase, we are looking for essentially martensitic structures at heart, subjecting the bar to a second forced cooling allowing the temperature of the core to drop below 300 ° C. in a time compatible with the kinetics of martensitic transformation mainly, and possibly bainitic of the steel considered. In fact, the "lower" bainites (those formed at temperatures a little higher than Ms) have, after tempering, mechanical characteristics comparable to that of martensite, so that it is often enough to accelerate the cooling between 550 and 400 ° C. For particularly hardening grades and / or small diameters, simple natural or slightly accelerated cooling will be sufficient. For example, it suffices, in the case of the 42 CD4 grade presented in FIG. 1, cooling to more than 4 or 5 ° C / s between 550 and 300 ° C to obtain an essentially martensitic structure at helm heart.
Dans tous les cas, la couche annulaire superficielle de martensite obtenue dans la 1ère étape du traitement et autorevenue dans la 2ème étape a un double rôle dans la 3ème étape de refroidissement forcé :
- elle réduit considérablement les risques de tapures lors d'une transformation martensitique ultérieure plus profonde,
- elle limite les risques de cintrage des barres par dissymétrie du refroidissement, puisqu'elle constitue une sorte de "corset" rigide annulaire.
- it considerably reduces the risk of tapures during a deeper subsequent martensitic transformation,
- it limits the risks of bending the bars by dissymmetry of the cooling, since it constitutes a sort of rigid annular "corset".
Ce double rôle permet d'envisager pour la 3ème étape de refroidissement forcé des moyens de refroidissement moins exigeants en ce qui concerne la symétrie de révolution de la trempe que ceux utilisés dans la 1ère étape.This dual role makes it possible to envisage, for the 3rd stage of forced cooling, less demanding cooling means as regards the symmetry of revolution of the quenching than those used in the 1st stage.
L'installation selon l'invention découle du procédé décrit ci-dessus. Elle comprend de préférence :
- pour la 1ère étape : au moins une boîte à lame d'eau, modulaire, à grande efficacité thermique, du type de celle décrite dans la demande de brevet EP-A-0020246, où le produit en défilement est enveloppé dans une nappe d'eau circulant à vitesse soutenue colinéairement au produit. Eventuellement, la boîte à eau peut être remplacée par un moyen équivalent, comme un dispositif de pulvérisation d'eau, ayant une efficacité de refroidissement comparable ;
- pour la 2ème étape : un refroidissoir à "pas de pélerin" permettant la réhomogénéisation naturelle
pendant 1 à 2 minutes d'une ou plusieurs barres en parallèle ; - pour la 3ème étape :
- · soit un dispositif de rampes oscillantes à pulvérisation d'eau installé sur la seconde partie du refroidissoir précédent,
- · soit une piscine d'eau ou d'huile alimentée en barres par le refroidissoir et permettant une sortie continue de ces barres (plan incliné par exemple).
- for the 1st stage: at least one box with a blade of water, modular, with high thermal efficiency, of the type described in patent application EP-A-0020246, in which the moving product is enveloped in a sheet of water circulating at a sustained speed collinearly with the product. Optionally, the water box can be replaced by an equivalent means, such as a water spraying device, having a comparable cooling efficiency;
- for the 2nd stage: a "pilgrim step" cooler allowing natural rehomogenization for 1 to 2 minutes of one or more bars in parallel;
- for the 3rd stage:
- · Either a device of oscillating ramps with water spraying installed on the second part of the previous cooler,
- · Either a swimming pool of water or oil supplied with bars by the cooler and allowing a continuous exit of these bars (inclined plane for example).
Les modalités de fonctionnement de l'installation prédécrite dépendent, au niveau de chaque étape de refroidissement, du diamètre de barre considéré, de la vitesse de sortie du laminoir, de la trempabilité de la nuance d'acier considéré et des structures désirées à coeur des barres.The operating modes of the above-described installation depend, at each cooling step, on the bar diameter considered, on the exit speed of the rolling mill, on the hardenability of the steel grade considered and on the desired structures at the heart of the bars.
Ainsi, au niveau de la première étape de refroidissement on a vu les durées de refroidissement nécessaires selon le diamètre des barres pour un coefficient d'échange thermique du dispositif de trempe de l'ordre de 10⁴ w/m² . °C. Connaissant les vitesses de sortie en laminage et les températures de fin de laminage, on peut en déduire les longueurs de trempe nécessaires.Thus, at the level of the first cooling step, the necessary cooling times have been seen depending on the diameter of the bars for a heat exchange coefficient of the quenching device of the order of 10⁴ w / m². ° C. Knowing the exit speeds in rolling and the temperatures at the end of rolling, we can deduce the necessary quenching lengths.
Au niveau de la 2ème étape, on évite au maximum la transformation à coeur en perlite si la nuance et le diamètre traités le permettent.At the level of the 2nd stage, the transformation to the core into perlite is avoided as much as possible if the shade and the diameter treated allow it.
Enfin, au niveau de la 3ème étape, on cherche à obtenir des structures essentiellement martensitiques. En conséquence, le mode de refroidissement sera d'autant plus sévère que le diamètre de barre sera important et les cinétiques de transfor mation en bainite supérieure rapides (importance de la trempabilité de l'acier considéré entre 600 et 300 °C). Dans tous les cas, comme cela a déjà été précisé, il est peu souhaitable de poursuivre cette phase de refroidissement en-dessous de 250 °C (température à coeur). Un cas limite est celui où la vitesse de défilement de la barre et la trempabilité de la nuance considérée permet l'évolution suivante de la température moyenne de la section : fin de laminage vers 900 °C, traversée d'une première boîte à lame d'eau de 900 à 600 °C, refroidissement naturel en 1 à 2 minutes, traversée d'une seconde boîte à lame d'eau de 600 à 400 - 300 °C avant le revenu final.Finally, at the level of the 3rd stage, we seek to obtain essentially martensitic structures. Consequently, the cooling mode will be all the more severe the larger the bar diameter and the kinetics of transformation. fast upper bainite mation (importance of the hardenability of the steel considered between 600 and 300 ° C). In all cases, as has already been specified, it is undesirable to continue this cooling phase below 250 ° C. (core temperature). A limiting case is that where the speed of movement of the bar and the hardenability of the grade considered allows the following evolution of the average temperature of the section: end of rolling around 900 ° C., crossing of a first box with blade d water from 900 to 600 ° C, natural cooling in 1 to 2 minutes, passing through a second box with a blade of water from 600 to 400 - 300 ° C before final tempering.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en référence aux figures 2, 3, 4 et 5.Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description which follows with reference to FIGS. 2, 3, 4 and 5.
A la figure 2, la barre 20 sort de la dernière cage du laminoir 21 pour pénétrer dans une ou deux boîtes 22 à circulation d'une lame d'eau du type de celles décrites dans la demande de brevet EP-A-0020246. Cette barre est extraite à vitesse régulière des boîtes à eau grâce aux extracteurs 23, puis ralentie jusqu'à l'arrêt sur une ligne de rouleaux de freinage 24. Un dispositif à basculement 25 permet de déposer la barre sur un refroidissoir 29 à longerons mobiles effectuant un déplacement en "pas de pélerin" permettant d'assurer à la barre une translation et une rotation lente sur elle-même. Le refroidissoir 29 comporte trois zones, repérées 26, 27 et 28a. La zone 26 correspond au refroidissement naturel de l'étape b) selon l'invention. La zone 27 est un refroidissement naturel d'évacuation des barres après la phase de refroidissement forcé assurée sur la zone 28a, mais on pourra éventuellement faire débuter le revenu final dès cette zone 27. Enfin, la zone 28a correspond au refroidissement forcé de l'étape c) selon l'invention. Ce refroidissement est, dans cet exemple, assuré par des rampes de pulvérisation d'eau parallèles aux barres et animées d'un mouvement longitudinal de va et vient suffisant pour que le traitement soit homogène le long des barres.In FIG. 2, the
La figure 3 correspond très exactement au descriptif de la figure 2, à l'exception du refroidissement forcé de l'étape c) qui est réalisé en 28b par immersion progressive en piscine d'eau ou d'huile. Un dispositif avantageux de plans inclinés non représenté permet l'introduction et l'extraction progressive des barres.Figure 3 corresponds exactly to the description of FIG. 2, with the exception of the forced cooling of step c) which is carried out at 28b by progressive immersion in a pool of water or oil. An advantageous device of inclined planes not shown allows the progressive introduction and extraction of the bars.
A titre d'exemple, on a cherché, grâce à une installation telle que celle schématisée à la figure 3, à obtenir à coeur d'une barre de 60 mm de diamètre une résistance mécanique de 1000 N/mm² et une résilience Charpy V de 60 J/cm² sur un acier type 42 CD4.By way of example, an attempt has been made, by means of an installation such as that shown diagrammatically in FIG. 3, to obtain at the heart of a 60 mm diameter bar a mechanical resistance of 1000 N / mm² and a Charpy V resilience of 60 J / cm² on a 42 CD4 type steel.
La figure 4, sur un diagramme température-temps, représente les conditions de transformation γ → α le long des lois thermiques obtenues à coeur de barres en acier 42 CD4 de diamètres respectifs de 60 mm pour la loi repérée "41", de 100 mm pour la loi repérée "42", et de 150 mm pour la loi repérée "43". Ces lois thermiques correspondent aux traitements suivants :
- un passage en boîte à lame d'eau caractérisée par un coefficient d'échange moyen de l'ordre de 10⁴ W/m². °C, de manière que la température moyenne de chaque barre passe rapidement de 900 °C à 600 °C (étape a) selon l'invention) ;
- puis un refroidissement naturel à l'air jusqu'à l'ambiante (étape b). Le refroidissement forcé ultérieur - étape c) - a été volontairement supprimé dans ce cas.
- a passage in a water slide box characterized by an average exchange coefficient of the order of 10⁴ W / m². ° C, so that the average temperature of each bar rapidly goes from 900 ° C to 600 ° C (step a) according to the invention);
- then natural air cooling to ambient (step b). The subsequent forced cooling - step c) - was intentionally eliminated in this case.
On a représenté sur la figure 4 :
- les cycles thermiques 41, 42 et 43 à partir de 800 °C (température A₃ de l'acier),
- la ligne,
repérée 44, de début de transformation de l'austénite, - la ligne,
repérée 45, correspondant à 25 % de transformation γ → α, - la ligne,
repérée 46, correspondant à 50 % de transformation, - la ligne,
repérée 47, correspondant à 75 % de transformation, - la ligne,
repérée 48, correspondant à la fin de la transformation.
-
41, 42 and 43 from 800 ° C (temperature A₃ of the steel),thermal cycles - the line, marked 44, from the start of transformation of the austenite,
- the line, marked 45, corresponding to 25% of transformation γ → α,
- the line, marked 46, corresponding to 50% transformation,
- the line, marked 47, corresponding to 75% transformation,
- the line, marked 48, corresponding to the end of the transformation.
La figure 5 correspond aux mêmes représentations que la figure 4, mais avec une 3ème étape de refroidissement selon l'invention (étape c) caractérisée par un coefficient d'échange thermique de 10³ W/m² . °C.Figure 5 corresponds to the same representations as Figure 4, but with a 3rd cooling step according to the invention (step c) characterized by a heat exchange coefficient of 10³ W / m². ° C.
La comparaison des figures 4 et 5 montre que l'accélération du refroidissement de la 3ème étape a permis d'obtenir à coeur des trois diamètres considérés plus de 50 % de structures formées en-dessous de 300 °C (martensite).The comparison of Figures 4 and 5 shows that the acceleration of the cooling of the 3rd stage made it possible to obtain at the heart of the three diameters considered more than 50% of structures formed below 300 ° C (martensite).
Pour la barre de 60 mm de diamètre de la figure 4, les conditions de transformation martensitique se sont réalisées sensiblement du coeur jusqu'à
En optant pour un traitement complet selon l'invention comportant la même première étape de refroidissement que précédemment, une étape b) correspondant à 1 minute de refroidissement naturel vers 600-550 °C, et une étape c) correspondant à une trempe jusqu'à 100 °C caractérisée par un coefficient d'échange moyen de l'ordre de 10³ w/m² . °C, on suit, à coeur d'une barre de 0̸ 60 mm, la loi 41 de la figure 5. La transformation est alors entièrement martensitique sur toute la section, (une trempe finale à l'huile, nettement moins efficace, aurait encore conduit à 70 % de martensite à coeur). Pour les barres de 100 et 150 mm de diamètre, près des trois quarts de la transformation à coeur s'effectuent en-dessous de 400 °C avec près de 50 % de martensite. Dans tous les cas, un revenu d'une heure à 600 °C a permis d'obtenir une résistance de l'ordre de 1000 N/mm² et une résilience Charpy V à l'ambiante supérieure à 60 J/cm².By opting for a complete treatment according to the invention comprising the same first cooling step as above, a step b) corresponding to 1 minute of natural cooling to 600-550 ° C., and a step c) corresponding to quenching up to 100 ° C characterized by an average exchange coefficient of the order of 10³ w / m². ° C, we follow, at the heart of a 0̸ 60 mm bar, the
Il est clair, d'après les exemples précités, que le procédé selon l'invention permet une grande souplesse de traitement selon le diamètre des barres à traiter et le niveau de caractéristiques mécaniques désiré. Il permet également de réduire au maximum l'utilisation d'éléments d'addition dans l'acier en se prêtant bien, dans sa version la plus générale, à la mise en oeuvre de nuances économiques ayant seulement un "nez perlitique" (durée d'incubation de la transformation γ → α vers 600 °C) relativement dégagé et une cinétique de transformation lente dans le domaine de la bainite supérieure (nuances au Mn-B, etc ...).It is clear, from the above examples, that the method according to the invention allows great processing flexibility depending on the diameter of the bars to be treated and the level of mechanical characteristics desired. It also makes it possible to minimize the use of addition elements in steel by lending itself well, in its most general version, to the implementation of economic nuances having only a "pearlitic nose" (duration d 'incubation of the transformation γ → α around 600 ° C) relatively clear and slow transformation kinetics in the field of upper bainite (shades of Mn-B, etc.).
En outre, le procédé selon l'invention se prête également bien à la valorisation d'opération de laminage terminée à basse température (vers 850 °C), qui permettent de conserver une austénite écrouie et non recristallisée au moment de la transformation γ → α. L'héritage des défauts cristallins de l'austénite écrouie sera d'autant plus intéressant que l'on passera rapidement à des températures où la restauration de l'austénite est difficile, puis à des structures finales de trempe.In addition, the process according to the invention also lends itself well to the recovery of rolling operations completed at low temperature (around 850 ° C.), which make it possible to keep a hardened austenite which is not recrystallized at the time of the transformation γ → α . The inheritance of the crystalline defects of the hardened austenite will be all the more interesting that one will pass quickly to temperatures where the restoration of austenite is difficult, then to final structures of hardening.
Claims (9)
- Process for the heat treatment of alloy steel rods of 50 to 150 mm diameter, which are ready for use, especially for mechanical construction, characterised in that it consists in subjecting the rod, at rolling heat, to a stagewise quenching comprising the following three successive stages:a) just after the rolling the rod is subjected on the move to a severe forced cooling exhibiting a heat exchange coefficient of the order of 10⁴ W/m² °C so as to lower the mean temperature of the rod section rapidly to approximately 600-550°C and to form a surface martensite layer while avoiding the formation of ferrite and of perlite at the core;b) a self-tempering of the surface martensite layer is then induced by allowing the rod to cool naturally in air until it substantially reaches a thermal rehomogenisation in section at about 550°C, while avoiding a significant formation of perlite or of bainite at the core;c) the rod is then again subjected to a forced cooling, of lesser severity than that involved in stage a), in order that its core temperature may fall below approximately 300°C over a period which is compatible with the kinetics of conversion which is chiefly martensitic and bainitic of the steel grade used.
- Plant for implementing the process according to Claim 1, characterised in that it comprises in succession, in the direction of movement of the product:- means making it possible to ensure a forced cooling of the rods on the move according to stage a) ensuring a mean heat exchange coefficient higher than 5x10³ W/m² °C;- a cooler with movable racks ensuring a steady pilger step movement and a slow rotation of the rod about itself, the said cooler being equipped with means for forced cooling.
- Plant according to Claim 2, characterised in that the means for cooling the product according to stage a) consist of at least one water box (22) where the rod is enveloped in a sheet of water circulating linearly together with the rod.
- Plant according to Claim 3, characterised in that the means for cooling the product according to stage a) consist of a water spraying device.
- Plant according to Claim 2, characterised in that the means for forced cooling with which the cooler is equipped consist of racks for spraying water.
- Plant according to Claim 5, characterised in that the said racks are driven in a "to and fro" movement parallel to the axis of the rod to be cooled.
- Plant according to Claim 2, characterised in that the means for forced cooling with which the cooler is equipped consist of a pool of water or of oil.
- Plant according to Claim 7, characterised in that the pool comprises two inclined planes for ensuring the introduction and the progressive withdrawal, respectively, of the rods to be cooled.
- Plant according to any one of Claims 2 to 8, characterised in that it comprises a plant unit for thermal tempering of the rods, which is placed after the cooler.
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