EP0717116B1 - Procédé de fabrication d'une pièce en acier de construction mécanique et pièce ainsi fabriquée - Google Patents

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EP0717116B1
EP0717116B1 EP95402754A EP95402754A EP0717116B1 EP 0717116 B1 EP0717116 B1 EP 0717116B1 EP 95402754 A EP95402754 A EP 95402754A EP 95402754 A EP95402754 A EP 95402754A EP 0717116 B1 EP0717116 B1 EP 0717116B1
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heating
treatment
work piece
steel
blank
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Claude Pichard
Pierre Jolly
Daniel Forest
Daniel Robat
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Ascometal SA
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    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
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    • C21D2211/00Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/002Bainite

Definitions

  • the invention relates to thermomechanical treatments of rooms with high characteristics of microalloyed steel, such as forging, welding and treatments surface heat.
  • Microalloyed steels having the composition 0.05% ⁇ C ⁇ 0.5%; 1% ⁇ Mn ⁇ 2%; 0.05% ⁇ If ⁇ 1.5%; 0.1% ⁇ Cr ⁇ 1%; 0% ⁇ Mo ⁇ 0.5%; 0 ⁇ V ⁇ 0.30%; 0 ⁇ B ⁇ 0.010%; 0 ⁇ Ti ⁇ 0.030%, 0 ⁇ Nb ⁇ 0.1, the rest being iron, unavoidable impurities resulting from the development, are used in particular for manufacture forgings with high characteristics. These pieces should, for example, have a breaking strength between 900 and 1200 MPa and a good shock resistance.
  • This type of metallurgy is well suited to forging and other treatments which are practiced at high temperatures (above 1000 ° C for example), to which the austenitization of the part is complete.
  • this metallurgy poses problem when the part is subjected locally or entirely to temperatures of lower heating, between 500 and 900 ° C. This is particularly the case when the forging treatment aims to shape only one end of a steel bar, and where the heating action is therefore limited to this end.
  • the region of the bar which is not not directly heated but near the area to be forged is, in fact, brought to a lower temperature, but high enough to impose transformations metallurgical to this region.
  • a similar phenomenon occurs when the part undergoes welding, nitriding treatment or surface heat treatment, such as than laser quenching, or induction quenching: the subsurface layers of the piece are affected by treatment in a way that may be undesirable.
  • the problem is that the portions of these parts that have undergone such reheating between 500 and 900 ° C have a softening detrimental to the good mechanical strength of the part, especially its fatigue behavior.
  • An explanation of this phenomenon softening is that for these relatively low heating temperatures, the hardening effect of interphase precipitation is eliminated, and the hardenability is greatly reduced due to the very small grain size. The result is that the room therefore no longer has in its entire volume properties that are both high and homogeneous.
  • the object of the invention is to propose a method of manufacturing parts made of microalloyed steel with high mechanical characteristics allowing to overcome this softening problem, whatever the local heating conditions of the parts in question.
  • DE-A-1 225 217 or US-A-5 041 167 describe methods for manufacturing parts made of microalloyed steel in a bainitic structure subjected to nitriding or forging treatments.
  • the invention relates to a process for manufacturing a piece of mechanical steel, whereby a steel blank is submitted microalloy comprising, in weight percentages, 0.05% ⁇ C ⁇ 0.5%; 1% ⁇ Mn ⁇ 2%; 0.05% ⁇ Si ⁇ 1.5%; 0.1% ⁇ Cr ⁇ 1%; 0% ⁇ Mo ⁇ 0.5%; 0 ⁇ V ⁇ 0.30%, 0 ⁇ B ⁇ 0.010%; 0 ⁇ Ti ⁇ 0.030%, 0 ⁇ Nb ⁇ 0.1%, to treatment thermal or thermomechanical, as defined in claim 1.
  • the invention also relates to a structural steel part. mechanical manufactured by this process.
  • the invention consists in starting from a steel blank of microalloyed mechanical construction having a bainitic structure to produce a room to which heating is to be applied which, whether undergoing or desired, will at least locally its temperature between 500 and 900 ° C. Starting from such a draft which has both the specified composition and a bainitic structure, one does not obtain not, for the portions of the blank thus heated, the undesirable softening which one observes when the blank has a ferrito-pearlitic structure.
  • the conditions for cooling the bar in the hot rolling led, as is known, to the establishment of a structure ferrito-pearlitic.
  • an induction heating is carried out central part 2, for example with a view to subsequent forging.
  • a homogeneous temperature of about 1200 ° C.
  • this central part 2 which is directly influenced by the heating means, there is a decrease in the temperature of room 1 as one moves away from the central part 2, up to a temperature close to the ambient temperature of 20 ° C.
  • portions 3, 3 ′ of part 1 a temperature between the temperatures conventionally known as Ac3 and Ac1 of the shade constituting bar 1.
  • these temperatures are respectively 790 and 740 ° C.
  • the portions 3, 3 'concerned each extend over a length of approximately 30 mm. This evolution of the temperature along the bar 1 is translated by the curve 4 of the figure unique.
  • the heating action which, according to the invention, we want to prevent from leading localized or generalized softening of the part structure, may be various natures and exercised for different purposes.
  • the invention can also concern surface heat treatments such as laser quenching, induction quenching, electron beam bombardment and treatments of nitriding. Heating can also be a consequence of a welding operation.
  • the cooling of the part must be done at a speed not too weak, i.e. at least 500 ° C / hour, so as to preserve the structure bainitique previously obtained, in order to avoid possible softening.
  • the invention makes it possible to widen the range of shades which can be used for the manufacture of high-quality mechanical steel parts and homogeneous. It avoids having to resort to subsequent heat treatments to restore the mechanical properties which would have been affected by a softening of the structure as described, which saves time for manufacturing the part and for its manufacturing cost.

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Description

L'invention concerne les traitements thermomécaniques des pièces à hautes caractéristiques en acier microallié, tels que le forgeage, le soudage et les traitements thermiques superficiels.
Les aciers microalliés ayant la composition (les pourcentages sont des pourcentages pondéraux) 0,05 %≤ C ≤ 0,5 %; 1 % ≤ Mn ≤ 2 %; 0,05 %≤ Si ≤ 1,5 %; 0,1 % ≤ Cr ≤ 1 %; 0%≤Mo≤0,5%; 0 ≤ V ≤ 0,30 %; 0 ≤ B ≤ 0,010 %; 0 ≤ Ti ≤ 0,030 %, 0 ≤ Nb ≤ 0,1, le reste étant du fer, des impuretés inévitables résultant de l'élaboration, sont utilisés notamment pour fabriquer des pièces forgées à hautes caractéristiques. Ces pièces doivent, par exemple, présenter une résistance à la rupture comprise entre 900 et 1200 MPa et une bonne tenue aux chocs. Ces aciers sont classiquement utilisés avec une structure ferrito-perlitique qui résulte naturellement d'un durcissement secondaire au cours du refroidissement qu'ils ont subi lors de leur dernière mise en forme. Ils peuvent aussi être utilisés, avec la même structure ferrito-perlitique, pour d'autres applications nécessitant divers traitements thermiques ou thermomécaniques.
Ce type de métallurgie est bien adapté aux forgeages et autres traitements qui sont pratiqués à des températures élevées (supérieures à 1000 °C par exemple), pour lesquelles l'austénitisation de la pièce est complète. En revanche, cette métallurgie pose problème lorsque la pièce est soumise localement ou en totalité à des températures de chauffage inférieures, entre 500 et 900 °C. C'est le cas, en particulier, lorsque le traitement de forge vise à ne mettre en forme qu'une extrémité d'une barre d'acier, et où l'action de chauffage est donc limitée à cette extrémité. La région de la barre qui n'est pas chauffée directement mais avoisine la zone à forger est, de fait, portée à une température inférieure, mais suffisamment élevée pour imposer des transformations métallurgiques à cette région. Un phénomène similaire se produit lorsque la pièce subit un soudage, un traitement de nitruration ou un traitement thermique superficiel, tel qu'une trempe laser, ou une trempe par induction: les couches subsurfaciques de la pièce sont affectées par le traitement d'une manière qui peut être indésirable. Le problème est que les portions de ces pièces qui ont subi un tel réchauffage entre 500 et 900 °C présentent un adoucissement préjudiciable à la bonne tenue mécanique de la pièce, notamment à son comportement en fatigue. Une explication de ce phénomène d'adoucissement est que, pour ces températures de chauffage relativement faibles, l'effet durcissant des précipitations interphases est annihilé, et que la trempabilité est fortement diminuée du fait de la très faible taille des grains. Le résultat est que la pièce n'a donc plus dans la totalité de son volume des propriétés à la fois élevées et homogènes.
On a jusqu'ici remédié à ce problème en recourant à des nuances au chrome-molybdène trempées-revenues, ou à des aciers peu alliés ayant subi un traitement de normalisation. Mais ces solutions limitent la gamme de nuances utilisables. De plus, lorsqu'un traitement thermique de restauration des propriétés mécaniques est nécessaire, il induit généralement des déformations inacceptables de la pièce qui nécessiteront un redressage de celle-ci. Cela augmente sensiblement les durées et les coûts de fabrication des pièces.
Le but de l'invention est de proposer une méthode de fabrication de pièces en acier microallié à hautes caractéristiques mécaniques permettant de s'affranchir de ce problème d'adoucissement, quelles que soient les conditions locales de chauffage des pièces en question.
DE-A-1 225 217 ou US-A-5 041 167 décrivent des procédés de fabrication des pièces en acier microallié en structure bainitique soumis aux traitements de nitruration ou forgeage.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce en acier de construction mécanique, selon lequel on soumet une ébauche en acier microallié comportant, en pourcentages pondéraux, 0,05 %≤ C ≤ 0,5 %; 1 %≤Mn≤2%; 0,05 %≤Si≤1,5%; 0,1 %≤Cr≤1 %; 0%≤Mo≤0,5%; 0 ≤V ≤0,30 %, 0 ≤B≤0,010 %; 0 ≤Ti ≤0,030 %, 0≤Nb ≤0,1 %, à un traitement thermique ou thermomécanique, comme il est défini dans la revendication 1.
L'invention a également pour objet une pièce en acier de construction mécanique fabriquée par ce procédé.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à partir d'une ébauche en acier de construction mécanique microallié ayant une structure bainitique pour réaliser une pièce à laquelle on doit appliquer un chauffage qui, de manière subie ou voulue, portera au moins localement sa température entre 500 et 900 °C. En partant d'une telle ébauche qui possède à la fois la composition spécifiée et une structure bainitique, on n'obtient pas, pour les portions de l'ébauche ainsi chauffées, l'adoucissement indésirable que l'on observe lorsque l'ébauche présente une structure ferrito-perlitique.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence à la figure unique qui illustre un exemple de mise en oeuvre de l'invention.
Sur la figure unique, on a représenté une barre 1 dont une portion 2 est chauffée. Cette barre 1 a un diamètre de 40 mm et une longueur L de 800 mm environ. Elle est en un acier de construction dont la composition, exprimée en pourcentages pondéraux, est C = 0,35 %; Mn = 1,8 %; Si = 0,25 %; V = 0,12 %: Mo = 0,050 %; B ≤ 0,0005 %; Ti = 0,012 % le reste étant du fer et des impuretés résultant du processus d'élaboration habituel de ce type de nuances d'acier. Dans un des cas envisagés sur la figure unique, les conditions du refroidissement de la barre dans la chaude de laminage ont conduit, comme il est connu, à l'établissement d'une structure ferrito-perlitique. Dans l'autre cas envisagé, on a, selon l'une des caractéristiques de l'invention et comme l'homme du métier sait le réaliser à l'aide des diagrammes Temps-Températures-Transformation, obtenu une structure bainitique.
Pour le traitement de la barre 1, on réalise par induction un chauffage de sa partie centrale 2, par exemple en vue d'un forgeage ultérieur. On obtient ainsi dans l'épaisseur de la pièce 1 et sur toute la longueur de ladite partie centrale 2 une température homogène de 1200 °C environ. En dehors de cette partie centrale 2 qui subit directement l'influence des moyens de chauffage, on assiste à une décroissance de la température de la pièce 1 au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la partie centrale 2, et ce jusqu'à une température proche de la température ambiante de 20 °C. C'est ainsi que, sur des portions 3, 3' de la pièce 1, s'établit une température comprise entre les températures dites classiquement Ac3 et Ac1 de la nuance constituant la barre 1. Dans l'exemple envisagé, ces températures sont respectivement de 790 et 740 °C, et les portions 3, 3' concernées s'étendent chacune sur une longueur d'environ 30 mm. Cette évolution de la température le long de la barre 1 est traduite par la courbe 4 de la figure unique.
Dans le cas de référence où la barre 1 a initialement une structure ferrito-perlitique, on observe dans des portions de la barre 1, qui couvrent notamment celles dont la température est comprise entre Ac3 et Ac1, un adoucissement de la structure. Il se traduit par une chute sensible de la dureté Vickers qui passe de 300 à 250 Hv environ. Cette chute de dureté, dont les raisons ont été données plus haut, est illustrée par la courbe 5 de la figure unique. Mais dans le cas de l'invention où on a conféré à la barre 1 une structure initiale bainitique dans la chaude de laminage,. on n'observe pas cet adoucissement localisé, comme le montre la courbe 6. Ainsi, les propriétés mécaniques qui auraient été affectées par un tel adoucissement demeurent homogènes sur toute la longueur de la pièce forgée. C'est notamment le cas de sa tenue en fatigue et de sa résistance aux chocs.
L'action de chauffage dont, selon l'invention, on veut éviter qu'elle ne conduise à un adoucissement localisé ou généralisé de la structure de la pièce, peut être de diverses natures et exercée dans différents buts. Outre le forgeage, l'invention peut aussi concerner les traitements thermiques superficiels tels que la trempe laser, la trempe à induction, le bombardement par faisceau d'électrons et les traitements de nitruration. Le chauffage peut aussi être une conséquence d'une opération de soudage. Une fois le traitement effectué, le refroidissement de la pièce doit se faire à une vitesse pas trop faible, à savoir au moins 500 °C/heure, de manière conserver la structure bainitique précédemment obtenue, afin d'éviter un éventuel adoucissement.
La liste des éléments entrant dans la composition de l'acier telle qu'elle a été spécifiée plus haut n'est, bien entendu, pas limitative.
L'invention permet d'élargir la gamme de nuances utilisables pour la fabrication de pièces en acier de construction mécanique à caractéristiques élevées et homogènes. Elle évite d'avoir recours à des traitements thermiques ultérieurs pour restaurer les propriétés mécaniques qui auraient été affectées par un adoucissement de la structure tel qu'on l'a décrit, d'où un gain de temps pour la fabrication de la pièce et pour son coût de fabrication.

Claims (9)

  1. Procédé de fabrication d'une pièce en acier de construction mécanique, selon lequel on soumet une ébauche en acier microallié comportant, en pourcentages pondéraux, 0,05 %≤C≤0,5 %; 1 %≤Mn≤2 %; 0,05 %≤Si ≤1,5 % ; 0,1 %≤Cr≤1 % ; 0 %≤Mo≤0,5 % ; 0≤V≤0,30 % ; 0≤B≤0,010 % ; 0≤Ti≤0,030 % ; 0≤Nb≤0,1 %; le reste étant du fer et des impuretés inévitables, ladite ébauche ayant une structure bainitique, à un traitement thermique ou thermomécanique, ledit traitement comportant une étape de chauffage imposant à une portion seulement de ladite ébauche une température comprise entre 500 et 900°C, caractérisé en ce que ledit chauffage est suivi par une étape de refroidissement de ladite portion à une vitesse supérieure à 500°C/heure, de manière à conserver la structure bainitique et d'éviter un éventuel adoucissement dans au moins une partie de la pièce en dehors de la partie de la pièce qui subit directement l'influence des moyens de chauffage.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chauffage est exercé en vue d'un forgeage.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chauffage est exercé lors d'un traitement de nitruration.
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chauffage est un traitement thermique superficiel.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est une trempe laser.
  6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est une trempe à induction.
  7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est un bombardement par un faisceau d'électrons.
  8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chauffage résulte d'une opération de soudage.
  9. Pièce en acier de construction mécanique, caractérisée en ce qu'elle est fabriquée par le procédé selon l'une des revendications 1 à 8.
EP95402754A 1994-12-13 1995-12-07 Procédé de fabrication d'une pièce en acier de construction mécanique et pièce ainsi fabriquée Expired - Lifetime EP0717116B1 (fr)

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