EP0407275A1 - Procédé de fabrication de pièces à hautes caractéristiques mécaniques à partir d'acier non traité - Google Patents
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- C21D7/06—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the surface by shot-peening or the like
Definitions
- the present invention relates to a process for manufacturing parts with high mechanical characteristics from untreated steel, comprising a succession of heat treatment and forming operations.
- This process intended in particular for the manufacture of rail fasteners, comprises the following stages: - cold forming or preforming of parts, - austenitization heating of the parts, preferably in a fluidized bed bath or by induction, - quenching of the parts in a fluidized bed bath, - tempering of the parts preferably in a fluidized bed bath, - shot blasting, - possibly final cold forming of the parts, - protection.
- this known method still has a certain number of drawbacks.
- it involves two temperature rise operations (austenitization heating before quenching, tempering after quenching).
- tempering after quenching the fact that the parts undergo cold forming or at least preforming, before any heating, it is impossible to carry out this heating on continuous material, for example strip.
- the subject of the present invention is a process for manufacturing parts in treated steel which makes it possible to produce parts of equivalent quality or even better than that obtained by conventional methods at a lower cost.
- the process according to the invention for manufacturing parts from untreated steel comprises the following successive operations: - heating the steel to a temperature above the transformation point (austenitization), - isothermal quenching in a fluidized bed bath, immediately following the austenitization heating, - warm parts forming.
- the austenitization heating can advantageously be carried out in a fluidized bed bath or by induction, on continuous products (strips, crowns) or on blanks or pieces. It is also possible, within the framework of the invention, to carry out a cold preforming, before austenitization heating, to give the parts a shape different from their final shape, in which case the warm forming carried out after heating isothermal austenitization and quenching is intended above all to give the parts a more precise geometry and higher mechanical characteristics (thermomechanical warm treatment such as blocking in the case of springs).
- the conventional hot forming process before quenching requires heating the parts as a whole to a temperature much higher than the transformation point to take account of the cooling that the parts undergo during the hot forming operation and during transfers.
- the quenching operation (which gives the steel a bainitic structure) immediately follows the austenitization heating operation, the heat losses are very low and the lower heating temperature, since it is only used for quenching.
- the untreated part of the metal plays a complementary role for quenching and the rest of the operations, by heat diffusion.
- induction or fluidized bed heating makes it possible to carry out heat exchanges in reduced spaces, which significantly reduces the losses of the installation in operation and the start-up and shutdown times of the installation, therefore the losses who as a result.
- the replacement of oil quenching by fluidized bed quenching eliminates the need to suck oil fumes and those to wash and dry the parts.
- the additional heating necessary to compensate for the losses due to the oil quenching and washing operations is saved.
- the replacement of the two quenching and tempering operations of the usual processes with isothermal quenching allows other significant energy savings.
- the energy to bring the part to the tempering temperature is removed.
- the holding time at the isothermal quenching temperature represents less than half of the holding time at the tempering temperature according to the usual methods.
- Most of the energy induced during austenitization is returned to the fluidized quench bath isothermal, which allows this energy to be reused, for example for heating buildings.
- the parts with a bainitic structure are at a temperature above the martensite point, that is to say at a temperature of the order of 280-350 ° C. depending on the steel grades, and the residual energy that they contain can be used as the following operations are carried out warm (forming, blocking, prestressing, shot blasting, protection).
- the process according to the invention thus makes it possible to recover the major part of the energy provided during austenitization.
- Warm forming gives the parts better precision and increases the mechanical characteristics of the finished product, notably promoting the blocking of dislocations induced during forming, due in particular to the increase in mobility of carbon atoms linked to temperature. Rapid heating followed by isothermal quenching eliminates any risk of decarburization.
- the successive operations of the process according to the invention are carried out in a precise order making it possible to make the most of the energy stored in the material.
- the choice of temperature for each operation aims to optimize the beneficial effects, in particular on a metallurgical level for shot peening and pre-forming (or blocking), and on the electrochemical level for anti-corrosion protection.
- the method according to the invention does not require the formation of a so-called bonding layer generally obtained by chemical combination (phosphating) with the metal to be protected, the formation of this bonding layer resulting in a decrease in the surface mechanical characteristics of the parts.
- the process according to the invention reduces the number of operations, in particular temperature rise and the temperature maintenance times.
- the installations necessary for the implementation of the process are therefore of reduced dimensions.
- the investment and the surface area required for an installation using the method according to the invention are divided by a factor of approximately five.
- the process according to the invention makes it possible to considerably reduce the work in progress.
- the outstanding amount is only 40 springs for the process according to the invention, while it is 1,200 in the conventional process.
- a few minutes are sufficient to empty the installation of its parts for the implementation of the process according to the invention.
- the process according to the invention eliminates all harmful fumes and vapors and makes work much less arduous.
- the process according to the invention eliminates all the discharges (fumes, vapors, detergents, etc.) from the usual hot forming and oil quenching process.
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Abstract
Description
- La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication de pièces à hautes caractéristiques mécaniques à partir d'acier non traité, comprenant une succession d'opérations de traitement thermique et de formage.
- Les procédés classiques de fabrication de pièces en acier traité à partir d'acier non traité en barres, en bandes ou en couronnes, par exemple de ressorts, de barres stabilisatrices, d'attaches élastiques de rails de chemin de fer, comprennent un grand nombre d'opérations.
- A titre d'exemple, on va donner ci-après les différentes opérations successives d'un procédé classique de fabrication de ressorts :
- dévidage des couronnes, dressage, écroutage et rectification,
- chauffage d'austénitisation dans un four à atmosphère,
- formage à chaud,
- trempe à l'huile,
- revenu dans un four,
- refroidissement,
- blocage,
- refroidissement à la température ambiante,
- grenaillage de précontrainte,
- revenu après grenaillage,
- protection (peinture ou plastification),
- cuisson ou réticulation,
- refroidissement à la température ambiante,
- contrôle. - Ce procédé classique comprend en particulier un grand nombre de phases de variation de température dont chacune implique des dépenses d'énergie considérables et des installations coûteuses. Le formage à chaud et la trempe à l'huile sont par ailleurs des opérations qui ont lieu dans des conditions de travail et de sécurité difficiles. Enfin la trempe à l'huile est une opération génératrice de pollution par le dégagement de fumées et de vapeurs nocives et par le lavage auxquels les pièces doivent être soumises à la suite de la trempe à l'huile.
- Le procédé suivant la demande de brevet français n° 2 391 789 remédie déjà partiellement aux inconvénients énumérés ci-dessus. Ce procédé destiné notamment à la fabrication d'attaches de rails comprend les étapes suivantes :
- formage ou préformage à froid des pièces,
- chauffage d'austénitisation des pièces, de préférence dans un bain à lit fluidisé ou par induction,
- trempe des pièces dans un bain à lit fluidisé,
- revenu des pièces de préférence dans un bain à lit fluidisé,
- grenaillage,
- éventuellement formage final à froid des pièces,
- protection. - Toutefois, ce procédé connu présente encore un certain nombre d'inconvénients. En particulier, il implique deux opérations de montée en température (chauffage d'austénitisation avant trempe, revenu après trempe). Par ailleurs, du fait que les pièces subissent un formage ou au moins un préformage à froid, avant tout chauffage, il est impossible d'effectuer ce chauffage sur du matériau continu, par exemple en bande.
- La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de pièces en acier traité permettant de réaliser à moindre coût des pièces de qualité équivalente voire supérieure à celle obtenue par les procédés usuels.
- Le procédé conforme à l'invention de fabrication de pièces à partir d'acier non traité comprend les opérations successives suivantes :
- chauffage de l'acier à une température supérieure au point de transformation (austénitisation),
- trempe isotherme dans un bain à lit fluidisé, immédiatement à la suite du chauffage d'austénitisation,
- formage des pièces à tiède. - Contrairement à un préjugé selon lequel seul un formage après chauffage d'austénitisation et trempe martensitique permettait d'obtenir des pièces à hautes caractéristiques, il s'est avéré de façon surprenante que les pièces obtenues par formage à tiède après trempe isotherme (structure bainitique) présentaient des caractéristiques mécaniques et géométriques (notamment tenue en fatigue, corrosion sous tension, précision, tolérances plus étroites) nettement améliorées.
- Dans le cadre de l'invention, le chauffage d'austénitisation peut se faire avantageusement en bain à lit fluidisé ou par induction, sur des produits continus (bandes, couronnes) ou sur des flans ou des lopins. Il est également possible, dans le cadre de l'invention, de procéder à un préformage à froid, avant chauffage d'austénitisation, pour donner aux pièces une forme différente de leur forme définitive, auquel cas le formage à tiède effectué après chauffage d'austénitisation et trempe isotherme est destiné surtout à conférer aux pièces une géométrie plus précise et des caractéristiques mécaniques plus élevées (traitement thermomécanique à tiède tel que blocage dans le cas de ressorts).
- Enfin, à la suite du formage à tiède, il est possible de procéder, dans le cadre de l'invention, sans nouvelle montée en température des pièces, à un grenaillage de précontrainte à tiède et à une protection à tiède (peinture avec cuisson, plastification), en bénéficiant de la chaleur résiduelle des pièces.
- Les nombreux avantages du procédé conforme à l'invention peuvent être classés comme suit :
- Le procédé classique de formage à chaud avant trempe nécessite un chauffage des pièces dans leur totalité à une température nettement supérieure au point de transformation pour tenir compte du refroidissement que les pièces subissent pendant l'opération de formage à chaud et pendant les transferts.
- Dans le procédé conforme à l'invention, du fait que l'opération de trempe (qui donne à l'acier une structure bainitique) fait immédiatement suite à l'opération de chauffe d'austénitisation, les pertes de chaleur sont très faibles et la température de chauffage plus basse, puisqu'elle sert uniquement à réaliser la trempe.
- Suivant le procédé conforme à l'invention, il n'est d'ailleurs nécessaire que de chauffer, donc de traiter la partie travaillante du métal, ce qui constitue un gain supplémentaire d'énergie.
- Il est à noter que dans ce cas, la partie non traitée du métal joue un rôle complémentaire pour la trempe et la suite des opérations, par diffusion de chaleur.
- Le choix du chauffage par induction ou en lit fluidisé permet de réaliser les échanges thermiques dans des espaces réduits, ce qui diminue sensiblement les pertes de l'installation en fonctionnement et les temps de démarrage et d'arrêt de l'installation, donc les pertes qui en découlent. Le remplacement de la trempe à l'huile par une trempe en lit fluidisé supprime la nécessité d'aspirer des fumées d'huile et celles de laver et de sécher les pièces. En plus de l'énergie que consomment ces opérations, on économise suivant l'invention le complément de chauffage nécessaire pour compenser les pertes dues aux opérations de la trempe à l'huile et du lavage.
- Le remplacement des deux opérations de trempe et de revenu des procédés usuels par la trempe isotherme permet d'autres importantes économies d'énergie. Ainsi, l'énergie pour amener la pièce à la température de revenu est supprimée. Le temps de maintien à la température de trempe isotherme représente moins de la moitié du temps de maintien à la température de revenu suivant les procédés usuels. La plus grande partie de l'énergie induite lors de l'austénitisation est restitué dans le bain fluidisé de trempe isotherme, ce qui permet de réutiliser cette énergie par exemple pour le chauffage des bâtiments.
- Au sortir de la trempe isotherme, les pièces à structure bainitique sont à une températures supérieure au point de martensite, soit à une température de l'ordre de 280-350°C selon les nuances d'acier, et l'énergie résiduelle qu'elles contiennent peut être utilisée au fur et à mesure des opérations suivantes effectuées à tiède (formage, blocage, précontrainte, grenaillage, protection).
- Le procédé conforme à l'invention permet ainsi de récupérer la majeure partie de l'énergie apportée lors de l'austénitisation.
- Le formage à tiède confère aux pièces une meilleure précision et augmente les caractéristiques mécaniques du produit fini en favorisant notablement le blocage des dislocations induites au cours du formage, en raison notamment de l'augmentation de la mobilité des atomes de carbone liée à la température. Le chauffage rapide suivi de la trempe isotherme supprime tout risque de décarburation.
- Les opérations successives du procédé conforme à l'invention sont effectuées dans un ordre précis permettant de bénéficier au maximum de l'énergie emmagasinée dans la matière. Le choix de la température pour chaque opération vise à optimiser les effets bénéfiques notamment sur un plan métallurgique pour le grenaillage de précontrainte et la préconformation (ou blocage), et sur le plan électrochimique pour la protection anticorrosion. En effet, contrairement aux procédés usuels, le procédé conforme à l'invention ne nécessite pas la formation d'une couche dite d'accrochage obtenue généralement par combinaison chimique (phosphatation) avec le métal à protéger, la formation de cette couche d'accrochage entraînant une diminution des caractéristiques mécaniques superficielles des pièces.
- La suppression de l'opération de trempe à l'huile et son remplacement par une trempe en bain à lit fluidisé économisent la consommation de produits pétroliers comme l'huile de trempe et les produits et l'eau de lavage. Dans la mesure où le procédé conforme à l'invention procure des pièces de meilleure qualité, il permet de réduire la quantité de matière nécessaire à une même fonction. D'un autre côté, il est possible d'utiliser, suivant l'invention, des aciers moins alliés pour obtenir des pièces ayant des caractéristiques comparables.
- La possibilité d'utiliser le métal brut de laminage et en couronnes entraîne une réduction importante des pertes de matière et du prix de la matière première.
- Le procédé conforme à l'invention réduit le nombre des opérations notamment de montée en température et les temps de maintien en température. Les installations nécessaires pour la mise en oeuvre du procédé sont donc de dimensions réduites.
- A titre d'exemple, les investissements et la surface nécessaire pour une installation utilisant le procédé conforme à l'invention, compararativement à une installation classique pour produire des ressorts de suspension de véhicules automobiles, sont divisés par un facteur d'environ cinq.
- Le procédé conforme à l'invention permet de réduire considérablement les encours de fabrication. Ainsi, pour une production de 600 ressorts de suspension à l'heure, l'encours n'est que de 40 ressorts pour le procédé conforme à l'invention, alors qu'il est de 1200 dans le procédé classique. Quelques minutes suffisent pour vider de ses pièces l'installation pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention.
- Grâce à la suppression de la trempe à l'huile et grâce au formage à tiède, le procédé conforme à l'invention supprime toutes les fumées et vapeurs nocives et rend le travail beaucoup moins pénible.
- La propreté des installations pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention et leurs dimensions réduites procurent une qualité d'ambiance de travail et une productivité de loin supérieures à celles du procédé classique.
- Le procédé conforme à l'invention supprime tous les rejets (fumées, vapeurs, produits de lavage, etc.) du procédé usuel de formage à chaud et de trempe à l'huile.
- On va décrire ci-après la succession des opérations, avec indication des températures et des temps nécessaires, pour un procédé classique de fabrication de ressorts et, à titre de comparaison, un exemple du procédé conforme à l'invention pour la fabrication de ressorts de caractéristiques comparables destinés aux suspensions de véhicules automobiles.
PROCEDE CLASSIQUE ACIER 60 S CS Suite des opérations Température Temps 1 - dévidage coils 2 - dressage coupe 3 - écroutage rectification 4 - chauffage dans four à atmosphère 950° 15' 5 - formage à chaud supérieur 800° 6 - trempe à l'huile (refroidissement) 50° 7 - revenu dans four 450° 60' 8 - refroidissement 250° 9 - blocage ou précontrainte ou préconformation 250° 10 - refroidissement à température ambiante env. 20° 11 - grenaillage de précontrainte 12 - revenu après grenaillage environ 220° 13 - peinture protection 14 - cuisson peinture env. 200° 15 - refroidissement à température ambiante env. 20° 16 - contrôle repérage PROCEDE CONFORME A L'INVENTION ACIER 55 C3 ou 50 CV4 Suite des opérations Température Temps 1 - dévidage couronnes 2 - chauffage (induction ou lit fluidisé env. 850° 15' 3 - trempe isotherme (refroidissement) env. 320° 15' 4 - formage à tiède 300° 5 - blocage précontrainte à tiède et contrôle 280° 6 - grenaillage de précontrainte 260° 7 - protection (peinture, plastification) 220°
Claims (7)
- chauffage de l'acier à une température supérieure au point de transformation (austénitisation),
- trempe isotherme dans un bain à lit fluidisé, immédiatement à la suite du chauffage d'austénitisation, (donnant à l'acier une structure bainitique) et
- formage des pièces à tiède.
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