EP0220979A1 - Procédé de traitement thermique d'une piece en alliage d'uranium - Google Patents

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EP0220979A1
EP0220979A1 EP86402082A EP86402082A EP0220979A1 EP 0220979 A1 EP0220979 A1 EP 0220979A1 EP 86402082 A EP86402082 A EP 86402082A EP 86402082 A EP86402082 A EP 86402082A EP 0220979 A1 EP0220979 A1 EP 0220979A1
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Gilles Paradis
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    • 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
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon

Definitions

  • the present invention relates to a method of heat treatment of uranium alloy parts making it possible to obtain different structural and mechanical properties between the core and the surface of a part.
  • the present invention applies more particularly to so-called "structural hardening" uranium alloys which are generally uranium alloys with titanium, niobium or zirconium, the average content of additives being 0.5 at 6% by weight.
  • the method further comprises a step (1) of tempering, then a step (2) of tempering, the latter being carried out after step (a) and before l 'step (b).
  • the homogenization step is carried out at a variable temperature depending on the alloy, but generally greater than 750 ° C because, at this temperature, the uranium is in the ⁇ phase and the addition elements are in solid solution.
  • a martensitic phase is formed in which the addition elements are in supersaturation.
  • This martensitic phase is a variant of the orthorhombic phase ⁇ of uranium: it is all the more tender as the content of addition elements is high, the hardnesses generally being between 250 and 400 HV.
  • the martensitic phase is destabilized and the hardening compounds are precipitated.
  • temperature and tempering time it is possible to reach a hardness of 600 to 650 HV.
  • induction heating allows the room to be heated, and therefore the structure to be modified, only over a determined depth depending on how the heating is adjusted.
  • the depth heated by the currents induced in the room depends on the frequency. For a frequency greater than 300 kHz, this depth is less than 2 mm. For medium frequencies, that is to say approximately 10 to 30 kHz, this depth is of the order of 2 to 8 mm. At low frequency, that is to say at frequencies less than or equal to 4 kHz, it is greater than 8 mm. This depth also depends on the characteristics of the material, including electrical resistivity.
  • this technique can be implemented in a chamber corrected under vacuum or swept by a neutral gas, which is particularly advantageous given the oxidizability of uranium.
  • the method comprises an additional step (3) of tempering carried out after the steps of induction heating and quenching indicated above.
  • This income makes it possible to obtain the desired hardness on the surface.
  • it is necessary, when doing so, to take into account the hardening effect of this second income on the core of the piece when performing the first income treatment.
  • a step (4) of slow cooling is carried out from the ⁇ phase, that is to say after the homogenization step and before the step of heating by induction.
  • the ⁇ phase breaks down into two phases: ⁇ ⁇ ⁇ + U x M y where U x M y denotes a phase rich in addition elements M.
  • the hardness obtained is low, often lower than the hardness of the martensite of the corresponding alloy.
  • a martensite strip is formed in the skin by induction heating and surface quenching and a step (5) of tempering is carried out, which does not modify the core structure.
  • the parts were then heated by induction for 5 seconds at a frequency of 23.5 kHz in a closed chamber under argon scanning: a surface temperature of 1000 ° C. was thus obtained, which corresponds to a heating rate 200 ° C per second. Water quenching was then carried out immediately at the end of heating.
  • This range made it possible to obtain parts having a hardness gradient, the hardness being 375 HV in skin over an area 5 mm deep and 580 HV in the heart.
  • a homogenization treatment was first carried out for 1 hour at 850 ° C followed by controlled cooling in a vacuum oven, the cooling rate being less than 0.5 ° C per second.
  • the parts were then heated by induction at a frequency of 23.5 kHz, which made it possible to reach a skin temperature of 1000 ° C, or a heating rate of 200 ° C per second.
  • the parts were soaked in water immediately after heating.
  • a tempering treatment was then carried out for 4 hours at temperatures between 350 ° C and 450 ° C.
  • the core hardness was always less than 320 HV while the skin hardnesses ranged from 375 HV to 580 HV depending on the tempering temperature chosen.

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de traitement thermique de pièces en alliage d'uranium. Ce procédé comprend au moins une étape d'homogénéisation en phase γ suivie d'une étape de chauffage par induction, puis d'une étape de trempe ; l'utilisation du chauffage par induction permet de ne chauffer la pièce, et donc de modifier la structure, qu'en surface : on peut ainsi, éventuellement avec des étapes supplémentaires de trempe et/ou de revenu, ajuster la dureté à coeur et en surface. Application à la réalisation de matériaux de protection.

Description

  • La présente invention a pour objet un procé­dé de traitement thermique de pièces en alliage d'uranium permettant d'obtenir des propriétés structurales et mécaniques différentes entre le coeur et la surface d'une pièce.
  • Dans certains cas, il peut être intéressant d'obtenir des propriétés mécaniques différentes entre la surface et le coeur d'une pièce métallique, par exemple dans la réalisation de matériaux de protec­tion.
  • La présente invention s'applique plus par­ticulièrement aux alliages d'uranium dits "à durcisse­ment structural" qui sont généralement des alliages d'uranium avec du titane, du niobium ou du zirconium, la teneur moyenne en éléments d'addition étant de 0,5 à 6% en poids.
  • Selon la principale caractéristique du pro­cédé objet de l'invention, celui-ci comprend les étapes successives suivantes :
    • (a) - homogénéisation en phase γ ;
    • (b) - chauffage par induction ; et
    • (c) - trempe.
  • Si l'on désire obtenir une peau tendre et un coeur dur, le procédé comprend en outre une étape (1) de trempe, puis une étape (2) de revenu, ces dernières étant effectuées après l'étape (a) et avant l'étape (b).
  • L'étape d'homogénéisation est effectuée à une température variable suivant l'alliage, mais géné­ralement supérieure à 750°C car, à cette température, l'uranium est en phase γ et les éléments d'addition sont en solution solide. Par trempe depuis cette phase γ, on forme une phase martensitique dans laquelle les éléments d'addition sont en sursaturation. Cette phase martensitique est une variante de la phase orthorhombi­que α de l'uranium : elle est d'autant plus tendre que la teneur en éléments d'addition est élevée, les duretés étant généralement comprises entre 250 et 400 HV.
  • Par un revenu ultérieur, on déstabilise la phase martensitique et on provoque la précipitation de composés durcissants. Il est possible d'atteindre, suivant le type d'alliage, la température et le temps de revenu, une dureté de 600 à 650 HV.
  • Quant au chauffage par induction, il permet de ne chauffer la pièce, et donc d'en modifier la structure, que sur une profondeur déterminée dépendant de la manière dont le chauffage est réglé. En effet, la profondeur chauffée par les courants induits dans la pièce dépend de la fréquence. Pour une fréquence supérieure à 300 kHz, cette profondeur est inférieure à 2 mm. Pour des fréquences moyennes, c'est-à-dire de 10 à 30 kHz environ, cette profondeur est de l'ordre de 2 à 8 mm. En basse fréquence, c'est-à-dire à des fréquences inférieures ou égales à 4 kHz, elle est su­périeure à 8 mm. Cette profondeur dépend également des caractéristiques du matériau, entre autres la résisti­vité électrique. De plus, cette technique peut être mise en oeuvre dans une enceinte corfinée sous vide ou balayée par un gaz neutre, ce qui est particulièrement avantageux compte tenu de l'oxydabilité de l'uranium.
  • Si l'on veut obtenir une pièce ayant une peau tendre et un coeur dur, on commence par les éta­pes d'homogénéisation, de trempe et de revenu décrites ci-dessus. Ensuite, la pièce subit un chauffage par induction afin de passer une bande superficielle en phase γ et de redissoudre la précipitation, mais ceci uniquement en surface. Ce chauffage est immédiatement suivi d'une trempe qui provoque la transformation mar­tensitique de cette bande et donc une zone superfi­cielle plus tendre que le coeur. La largeur de cette bande dépend des caractéristiques de l'installation et notamment des caractéristiques du courant de chauffage par induction, de la température atteinte en surface et de la cinétique de redissolution des précipités en phase γ.
  • Afin de mieux ajuster la dureté en surface, le procédé comprend une étape supplémentaire (3) de revenu effectuée après les étapes de chauffage par induction et de trempe indiquées ci-dessus. Ce revenu permet d'obtenir la dureté désirée en surface. Bien entendu, il est nécessaire, lorsqu'on procède ainsi, de tenir compte de l'effet durcissant de ce deuxième revenu sur le coeur de la pièce lorsqu'on effectue le premier traitement de revenu.
  • Lorsqu'on veut obtenir une peau dure et un coeur tendre, on effectue une étape (4) de refroidis­sement lent depuis la phase γ, c'est-à-dire après l'étape d'homogénéisation et avant l'étape de chauffa­ge par induction. En effet, par un refroidissement lent, la phase γ se décompose en deux phases : γ → α + UxMy où UxMy désigne une phase riche en élé­ments d'addition M. La dureté obtenue est faible, souvent plus faible que la dureté de la martensite de l'alliage correspondant. Après le refroidissement lent, on forme une bande de martensite en peau par chauffage par induction et trempe superficielle et on effectue une étape (5) de revenu, ce qui ne modifie pas la structure à coeur.
  • L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, de quelques exem­ples de mise en oeuvre du procédé objet de l'inven­tion.
  • Les essais qui vont être décrits ci-dessous ont été effectués sur des pièces en alliage d'uranium et de titane contenant 0,75% en poids de titane.
    • Exemple 1
  • Dans cet exemple, on a cherché à obtenir des pièces dures à coeur et tendres en surface.
  • Pour cela, on a d'abord effectué un traite­ment d'homogénéisation pendant 1 heure à 850°C, suivi d'une trempe à l'eau. On a réalisé ensuite un durcis­sement structural par un revenu de 4h30mn à 450°C dans un four sous vide.
  • Les pièces ont ensuite été chauffées par in­duction pendant 5 secondes à la fréquence de 23,5 kHz dans une enceinte fermée sous balayage d'argon:on a ainsi obtenu une température de 1000°C en surface, ce qui correspond à une vitesse de chauffage de 200°C par seconde. On a ensuite effectué une trempe à l'eau im­médiatement en fin de chauffage.
  • Cette gamme a permis d'obtenir des pièces ayant un gradient de dureté, la dureté étant de 375 HV en peau sur une zone de 5 mm de profondeur et de 580 HV à coeur.
    • Exemple 2
  • Dans cet exemple, les pièces ont subi le même traitement que dans l'exemple 1, mais on a ajusté la dureté en peau par un traitement de revenu supplé­mentaire, effectué après la dernière opération de trempe. On a pu constater que ce traitement ne modifie pas notablement la dureté à coeur.
  • Par un revenu de 4 heures à 400°C, on a ob­tenu une dureté en surface de 420 HV et, par un revenu de 4 heures à 425°C, on a obtenu une dureté en surface de 480 HV. Dans l'un et l'autre cas, la dureté à coeur est restée égale à 580 HV.
    • Exemple 3
  • Dans cet exemple, on a cherché à obtenir des pièces dures en surface et moins dures à coeur.
  • On a d'abord effectué un traitement d'homo­généisation pendant 1 heure à 850°C suivi d'un refroi­dissement contrôlé dans un four sous vide, la vitesse de refroidissement étant inférieure à 0,5°C par seconde.
  • Les pièces ont ensuite été chauffées par in­duction à la fréquence de 23,5 kHz, ce qui a permis d'atteindre une température en peau de 1000°C, soit une vitesse de chauffage de 200°C par seconde. Les pièces ont été trempées à l'eau immédiatement en fin de chauffage.
  • On a ensuite effectué un traitement de revenu pendant 4 heures à des températures comprises entre 350°C et 450°C.
  • Cette gamme a permis d'obtenir des pièces ayant un gradient de dureté. La dureté à coeur était toujours inférieure à 320 HV tandis que les duretés en peau allaient de 375 HV à 580 HV suivant la températu­re de revenu choisie.

Claims (10)

1. Procédé de traitement thermique d'une pièce en alliage d'uranium en vue d'obtenir des propriétés différentes entre la peau et le coeur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successi­ves suivantes :
(a) - homogénéisation en phase γ ;
(b) - chauffage par induction ; et
(c) - trempe.
2. Procédé selon la revendication 1, permet­tant d'obtenir une peau tendre et un coeur dur, carac­térisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suc­cessives suivantes, effectuées après l'étape (a) et avant l'étape (b) :
(1) - trempe ; et
(2) - revenu.
3. Procédé selon la revendication 2, carac­térisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire (3) de revenu effectuée après l'étape (c).
4. Procédé selon la revendication 1, permet­tant d'obtenir une peau dure et un coeur tendre, ca­ractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape (4) de refroidissement lent effectuée après l'étape (a).
5. Procédé selon la revendication 4, carac­térisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire (5) de revenu effectuée après l'étape (c).
6. Procédé selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 5, caractérisé en ce que la ou les étapes de trempe sont des trempes à l'eau.
7. Procédé selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape (b) est effectuée sous vide.
8. Procédé selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape (b) est effectuée sous balayage d'un gaz neutre.
9. Procédé selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 8, caractérisé en ce que la pièce à traiter est réalisée en un alliage d'uranium avec l'un au moins des éléments suivants : titane, niobium, zirconium.
10. Procédé selon la revendication 9, carac­térisé en ce que la teneur moyenne de la pièce à traiter en éléments d'addition est comprise entre 0,5% et 6% en poids.
EP86402082A 1985-09-25 1986-09-23 Procédé de traitement thermique d'une piece en alliage d'uranium Expired - Lifetime EP0220979B1 (fr)

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