FR2495639A1 - Procede ameliore de traitement thermique des aciers utilisant un chauffage electrique direct par resistance et produits en acier obtenus par ce procede - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE AMELIORE DE TRAITEMENT THERMIQUE DES ACIERS UTILISANT UN CHAUFFAGE ELECTRIQUE DIRECT PAR RESISTANCE. POUR AMELIORER LE RENDEMENT ENERGETIQUE DU TRAITEMENT THERMIQUE DES ACIERS, ON CHAUFFE RAPIDEMENT UNE PIECE A TRAVAILLER A UNE TEMPERATURE SUPERIEURE A LA TEMPERATURE A DE L'ACIER POUR LE TRANSFORMER EN AUSTENITE, PUIS ON TREMPE RAPIDEMENT LA PIECE DANS UN MILIEU LIQUIDE POUR TRANSFORMER L'AUSTENITE EN UNE MICROSTRUCTURE ESSENTIELLEMENT MARTENSITIQUE, PUIS ON FAIT REVENIR L'ACIER PAR CHAUFFAGE RAPIDE ALORS QUE LA PIECE A TRAVAILLER EST SOUS TENSION, LE REVENU TRANSFORMANT L'ACIER EN UNE FORME MARTENSITIQUE REVENUE. L'INVENTION SUPPRIME PRATIQUEMENT LE PROBLEME DU CRIQUAGE PAR TREMPE, REDUIT AU MINIMUM LA DISTORSION PAR TREMPE ET FOURNIT UN PRODUIT FINI AYANT UNE UNIFORMITE, UNE QUALITE DE SURFACE ET DES PROPRIETES MECANIQUES AMELIOREES.

Description

Procédé amélioré de traitement thermique des aciers utili-

sant un chauffage électrique direct Dar résistance et

produits en acier obtenus par ce procédé.

La présente invention concerne un procédé amélioré de traitement thermique des aciers utilisant un chauffage

électrique direct par résistance.

Plus particulièrement, l'invention concerne un pro-

cédé d'austénitisation, de trempe et de revenu des aciers

pour améliorer la résistance mécanique et la ténacité.

L'austénitisation, la trempe et le revenu consti-

tuent un traitement thermique bien connu des aciers. On

utilise principalement ce traitement pour renforcer la ré-

sistance mécanique et la ténacité des aciers afin de pouvoir

les utiliser pour des pièces soumises à des efforts impor-

tants lors de l'emploi. En général, on effectue le stade d'austénitisation par chauffage de l'acier dans un four

maintenu à une température supérieure à la température A3.

On maintient l'acier dans le four pendant une durée suffi-

sante pour que la totalité de la charge du four soit entiè-

rement austénitisée.

Après l'austénitisation complète de l'acier, on le

trempe dans de l'eau, de l'huile ou un sel fondu ou un au-

tre milieu approprié pour qu'une structure essentiellement martensitique se forme dans l'acier. Souvent, pendant le stade de trempe, il se forme des criques dans l'acier par suite de la transformation et des contraintes thermiques produites par la trempe. Ce phénomène est appelé "criquage

par trempe". Le criquage par trempe est donc un effet indé-

sirable du traitement thermique classique car il est par nature imprévisible et coûteux. Pour réduire le criquage par trempe, il est souvent nécessaire d'utiliser, au lieu de

l'eau, un milieu de trempe moins énergique, tel que l'huile.

L'emploi d'un milieu de trempe moins énergique empéche d'atteindre le potentiel de durcissement total d'un alliage donné. Malgré cette précaution, le criquage par trempe

demeure fréquent.

Un autre phénomène indésirable associé au stade de trempe du traitement thermique classique, est la distorsion de la pièce travaillée. Les contraintes thermiques et les

contraintes de transformation que provoque 'La tempe entrai-

nent une distorsion ou une modification de la forme de la pièce travaillée. Ce problème est particulièrement grave pour les barres, les tiges ou les tubes de grande longueur

dont la distorsion se présente souvent comme une flexion.

Les pièces à travailler fléchies sont difficiles à manipu-

ler lors des stades de traitement ultérieur et finalement on doit dresser la pièce à travailler. Le moyen classique pour réduire au minimum les effets de la distorsion par

trempe est l'emploi d'un milieu de trempe moins énergique.

Après la trempe, l'acier est généralement trop dur et fragile pour être commercialisé. On doit donc le faire

revenir pour obtenir un produit ayant la combinaison dési-

rée des propriétés mécaniques. On effectue généralement le

revenu dans de gros fours que l'on maintient à des tempéra-

tures inférieures à la température A1. On charge les piè-

ces à travailler dans un four et on les y maintient jusqu'à ce que la totalité de la charge ait atteint la température

désirée. On les retire ensuite et on les laisse refroidir.

La température exacte de revenu choisie dépend des proprié-

tés mécaniques désirées de la pièce travaillée finie. En général, la résistance mécanique de l'acier diminue lorsque la température de revenu augmente tandis que la ductilité

et la ténacité de l'acier s'améliorent lorsque la tempéra-

ture de revenu s'élève.

Lorsque l'acier a été austénitisé, trempé et revenu selon les techniques classiques, on doit de plus le traiter

pour éliminer les effets indésirables du traitement thermi-

que tels que: l'oxyde qui s'est formé sur la surface de l'acier,7la décarburation de la surface de l'acier et la distorsion par trempe. Pendant le stade d'austénitisation

du traitement thermique, l'acier est exposé à des tempéra-

tures élevées pendant une période prolongée. Souvent, ceci provoque la réaction du carbone avec l'atmosphère du four et appauvrit en carbone la surface de l'acier. Cette zone appauvrie en carbone est appelée "couche décarburée" et on doit souvent l'éliminer de la surface de l'acier avant que la pièce travaillée puisse être transformée en un article utile. Généralement, on élimine la couche superficielle décarburée par meulage ou tournage et ces procédés sont

très coûteux.

Un autre problème associé au traitement thermique

classique est la formation d'oxyde à la surface de l'acier.

Lorsque la surface de l'acier a été décarburée, il se forme une couche d'oxyde sur l'acier. Cette couche d'oxyde est généralement très dure et abrasive et on doit l'éliminer de

l'acier avant d'effectuer les stades de mise en oeuvre ulté-

rieurs. On peut éliminer la couche d'oxyde mécaniquement

ou chimiquement mais, dans les deux cas, l'élimination en-

traîne une dépense additionnelle. On peut utiliser une at-

mosphère protectrice pour éviter le problème de la forma-

tion d'une couche d'oxyde, mais le coût des atmosphères pro-

tectrices est élevé.

Enfin, on doit corriger toute distorsion par trempe produite lors du traitement thermique avant de transformer la pièce à travailler en un élément utile. Pour les pièces à travailler longues, telles que les barres, les tiges, les tubes, etc., la mesure habituelle de correction est le dressage mécanique. On doit meuler ou usiner les petites

pièces à la taille finale désirée pour compenser la distor-

sion par trempe. Dans les deux cas le coût de la correction

de la distorsion par trempe est relativement élevé.

Comme précédemment indiqué, dans l'art antérieur, on effectue les opérations de traitement thermique dans de gros fours. Par suite de leur taille, ces fours occupent une surface importante et constituent un investissement

élevé, ce qui est un inconvénient important de leur emploi.

Comme il est bien connu de l'homme de l'art, l'emploi des fours classiques de traitement thermique s'accompagne de plusieurs autres inconvénients. Tout d'abord, le rendement du chauffage au four est généralement très faible, si bien

que l'accroissement du coût des combustibles rend souhaita-

ble un moyen plus efficace pour chauffer l'acier. De plus,

le chauffage au four s'effectue par rayonnement, conduc-

tion et convection, ce qui nécessite des cycles longs pour que l'on soit sûr que la totalité de la charge d'acier du four ait été soumise à un traitement uniforme lors d'un cycle de chauffage donné. Ces cycles longs sont en soi

désavantageux, car les températures élevées utilisées néces-

sitent l'emploi d'une atmosphère non oxydante connue (par

exemple une atmosphère protectrice ou le vide), ce qui en-

traîne une dépense énergétique additionnelle. Sinon, on peut

laisser les pièces à travailler s'oxyder pendant le traite-

ment, puis les décaper après le traitement thermique.

Un autre inconvénient du chauffage au four est lié à la régulation de la température de la charge dans le

four. La surveillance directe de la température de la char-

ge du four est difficile et,généralement, on utilise des thermocouples pour suivre la température du four plutôt que la température de la charge elle-même. Egalement, la température à l'extérieur de la charge du four diffère nettement de celle de la partie centrale de la charge. Par conséquent, on utilise des durées Prolongées de maintien à

la température pour réduire au minimum cette différence.

L'absence de régulation de la température de la charge du four, pendant le chauffage au four, a pour effet que la charge n'est pas chauffée uniformément lors des stades

d'austénitisation ou de revenu du traitement thermique.

Cette absence de régulation contribue à la mauvaise unifor-

mité du produit.

On a proposé, comme décrit dans les brevets US No. 3.908.431, No. 4.040. 872 et No. 4.088.511, de traiter les aciers selon divers cycles thermiques par emploi de

techniques de chauffage électrique direct par résistance.

Ces techniques ont l'avantage de produire un chauffage très rapide des pièces à travailler en acier avec des rendements

élevés et un chauffage uniforme de la totalité de la sec-

tion de la pièce à travailler. Un autre avantage est que la

température de chaque pièce à travailler peut être facile-

ment suivie, ce qui permet l'obtention d'un produit très

uniforme.

Un chauffage électrique direct par résistance a été utilisé dans un procédé de traitement thermique quelque peu

semblable, comme décrit dans le brevet US No. 4.040.872.

Dans ce procédé, on chauffe rapidement un acier au carbone

par chauffage électrique direct par résistance à une tempé-

rature supérieure à la température A3 et on le trempe pour

obtenir une microstructure ayant des propriétés particuliè-

res. Cette microstructure est constituée d'un mélange de ferrite proeutectoide aciculaire et d'agrégats finement divisés de ferrite et de carbure de fer. Ce procédé évite

d'avoir à tremper l'acier pour former une structure totale-

ment martensitique.

L'invention a pour objets - un procédé amélioré pour l'austénitisation, la trempe et le revenue des aciers; - un procédé amélioré pour le traitement thermique

d'aciers qui supprime essentiellement le problème du cri-

quage par trempe, réduit au minimum le problème de la dis-

torsion par trempe, empêche une décarburation notable de

l'acier pendant le traitement thermique et réduit au mini-

mum la quantité d'oxyde qui se forme à la surface de

l'acier, tout en permettant d'obtenir le potentiel de dur-

cissement total de l'acier; et -des aciers ayant un degré élevé d'uniformité ainsi que des valeurs améliorées de la ductilité, de la

ténacité et de la résistance à la fatigue.

L'invention vise également les produits en acier

amélioré obtenus par le procédé.

L'invention est illustrée par les dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un schéma de l'appareillage utilisé

pour le traitement thermique de pièces à travailler allon-

gées selon les principes de l'invention; la figure 2 est un schéma de l'appareillage utilisé

pour traiter de petites pièces à travailler afin de compa-

rer le traitement thermique selon les principes de l'inven-

tion et un traitement thermique classique;

la figure3A est une photographie montrant des piè-

ces à travailler en acier 4150 traitées au four après la trempe; la figure 3B est une photographie montrant, après la trempe, des pièces à travailler en acier 4150 que l'on a traitées selon les principes de l'invention; la figure 4A est une photographie de la surface d'une des pièces à travailler illustrée par la figure 3A avec un grossissement de 4X; la figure 4B est une photographie de la surface d'une des pièces à travailler illustrée par la figure 3B avec un grossissement de 4X

la figure SA est une photographie montrant des piè-

ces à travailler d'acier 6150 traitées au four après la trempe; la figure 5B est une photographie montrant, après la trempe, des pièces à travailler d'acier 6150 que l'on a traitées selon les principes de l'invention; la figure 6A est une photographie de la surface d'une des pièces à travailler illustrée par la figure 5A avec un grossissement de 4X; la figure 6B est une photographie de la surface d'une des pièces à travailler illustrée par la figure 5B avec un grossissement de 4XY; la figure 7 est un graphique de la résistance à la traction et de l'allongement en fonction de la température de revenu, obtenu à partir des valeurs de dix coulées d'acier. Ce graphique montre la dispersion typique d'une coulée à l'autre des propriétés mécaniques qui résulte du traitement selon les principes de l'invention la figure 8 est un graphique de la résistance à la traction en fonction de la température de revenu de divers aciers à teneur moyenne en carbone que l'on a traités selon

les principes de l'invention. Ce graphique montre les multi-

ples possibilités de l'invention -

la figure 9 est un graphique de la résistance à la traction en fonction de la température de revenu pour d'autres aciers à teneur moyenne en carbone que l'on a traités selon les principes de l'invention; la figure 10A est une photographie de plusieurs pièces à travailler longues, après la trempe, illustrant la forte distorsion par trempe; la figure lOB est une photographie des pièces à travailler longues illustrées par la figure 10A, mais que

l'on a fait revenir selon les principes de l'invention.

L'élimination de la distorsion par trempe y apparaît; la figure 11 est un graphique de l'allongement en fonction de la résistance à la traction qui illustre la ductilité supérieure d'un acier traité selon les principes de l'invention; la figure 12A est une photomicrographie qui montre la décarburation superficielle d'un échantillon traité au four la figure 12B est une photomicrographie qui montre l'absence de décarburation d'un échantillon que l'on a traité selon les principes de l'invention; et la figure 13 est un graphique de la dureté Vickers en fonction de la profondeur en-dessous de la surface de

deux échantillons ayant subi un traitement thermique.

Les principes de l'invention résident dans la dé-

couverte que beaucoup des problèmes associés au traitement thermique classique d'austénitisation, de trempe et de revenu peuvent être supprimés ou fortement réduits par l'emploi d'un chauffage rapide. On a découvert que l'on peut pratiquement éliminer le criquage par trempe lorsqu'on

utilise une austénitisation rapide. De plus, une austéniti-

sation rapide par chauffage électrique direct par résistance

s'est révélée réduire fortement la distorsion par trempe.

L'austénitisation rapide réduit également la quantité d'oxydes qui se forme à la surface de l'acier pendant le traitement thermique et réduit au minimum la décarburation de l'acier. Enfin, on a découvert que toute distorsion par trempe qui se produit peut être pratiquement éliminée par application-des tensions appropriées pendant le stade de

revenu du traitement thermique.

Selon la pratique de l'invention, on soumet une

pièce à travailler de section régulière à un chauffage ra-

pide à une température supérieure à la température A3 de l'acier pour transformer l'acier en austénite. Ensuite, on trempe rapidement la pièce à travailler en acier dans un milieu de trempe liquide pour transformer l'austénite ainsi

formée en une microstructure essentiellement martensitique.

Sous cette forme, la pièce à travailler présente des con-

traintes élevées. Dans le dernier stade, on fait revenir l'acier en soumettant la pièce à travailler à une tension en la chauffant rapidement à une température inférieure à

la température A1 de l'acier, pour que l'acier soit trans-

formé en une structure martensitique revenue.

Sans pour cela limiter l'invention à une théorie, il semble que le cycle d'austénitisation rapide utilisé

dans l'invention élimine pratiquement le problème du cri-

quage par trempe, car pendant le cycle bref d'austénitisa-

tion, les éléments de fragilisation ne disposent pas d'un temps suffisant pour diffuser vers les joints des grains d'austénite et provoquer une fragilisation des joints de grains. Il est bien connu que le criquage par trempe est un

phénomène de joints de grains. Lorsqu'on utilise des traite-

ments classiques d'austénitisation au four, la charge du

four est exposée à des températures supérieures à la tempé-

rature A1 pendant des durées prolongées pour que la tota-

lité de la charge du four atteigne la température appropriée avant la trempe. Par conséquent, les divers éléments disposent d'un temps suffisant pour diffuser vers les joints des grains d'austénite et y demeurent sous une

forme isolée. On a constaté que les éléments de fragilisa-

tion connus, tels que le soufre, le phosphore, l'étain et l'antimoine, s'isolent sur les joints des grains d'austéni- te pendant les traitements classiques d'austénitisation au four. De plus, d'autres éléments-tels que le chrome, le nickel et le manganèse s'isolent également sur les joints des grains d'austénite et ces éléments peuvent également

agir sur le criquage par trempe.

Le chauffage électrique direct par résistance per-

met de chauffer très rapidement l'acier et le temps de sé-

jour au-dessus de la température A1 est insuffisant pour permettre une ségrégation importante sur les joints de grains. Donc, les joints de grains demeurent résistants et

le criquage lors de la trempe est pratiquement éliminé.

Il semble également que le chauffage électrique di-

rect par résistance permette de réduire la distorsion des pièces à travailler qui se produit par suite du traitement thermique classique. Lorsqu'on chauffe l'acier dans un four,

le chauffage n'est pas uniforme car la chaleur doit péné-

trer dans la charge du four à partir de l'environnement.

Par suite de ce chauffage non uniforme, des contraintes thermiques se développent dans les pièces à travailler et peuvent provoquer une distorsion. De plus, la charge du four peut fléchir sous son propre poids en déformant les pièces à travailler. Egalement, la masse de la charge du four peut empêcher que certaines pièces à travailler se

dilatent librement lorsqu'on les chauffe et ceci peut provo-

quer une distorsion additionnelle. Par suite de ces phénomè-

nes, les pièces à travailler sont quelque peu déformées

lorsqu'on les retire du four et lors de la trempe cette dis-

torsion est accrue.

Lorsqu'on utilise le chauffage électrique direct

par résistance au lieu de chauffage au four, on peut rédui-

re au minimum la distorsion de la pièce à travailler. Lors du chauffage électrique direct par résistance, on peut maintenir la pièce à travailler sous tension pour permettre sa libre dilatation et bien la maintenir sur sa longueur pour éviter le fléchissement. Comme on ne chauffe qu'une pièce à travailler à la fois, le poids des autres pièces à travailler ne contribue pas à la distorsion. De plus, le chauffage électrique direct par résistance est uniforme sur la section et sur la longueur de la nièce à travailler. Par conséquent, les contraintes thermiques sont faibles et la

distorsion due aux contraintes thermiques est éliminée.

Comme la pièce à travailler austénitisée est introduite dans les milieux de trempe avec une distorsion minime, il se produit moins de distorsion lors de la trempe. Donc, Le

chauffage électrique direct par résistance permet de rédui-

re au minimum la distorsion qui se produit lors de l'austé-

nitisation et de la trempe des pièces à travailler en

acier.

Un autre avantage de l'emploi du chauffage électri-

que direct par résistance est que toute distorsion qui se produit lors des stades d'austénitisation et de trempe du procédé, peut être facilement réduite lors du stade de revenu. On a découvert que l'irrjortance de la distorsion des pièces à travailler allongées peut être réduite lors du revenu si on maintient la pièce à travailler sous tension pendant la totalité de l'opération de chauffage. L'effort de tension nécessaire pour provoquer le dressage est bien inférieure à la limite élastique de l'acier. Ce procédé de dressage lors du cycle de revenu est appelé "dressage au revenu" et il semble être provoqué par la redistribution préférentielle des contraintes résiduelles dans l'acier lors

des stades initiaux du revenu.

En plus de l'élimination de beaucoup des problèmes

associés au traitement thermique classique, l'invention amé-

liore la qualité de l'acier ayant subi le traitement thermi-

que. Des essais ont montré que les produits obtenus selon les principes de l'invention ont une meilleure uniformité que les produits obtenus selon les procédés classiques. On a également observé des améliorations de la ductilité, de

la ténacité et de la résistance à la fatigue.

Des aciers caractéristiques que l'on peut utiliser

selon les principes de l'invention figurent au tableau 1.

6ú0('-OS

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est sous forme d'une pièce à travailler que l'on peut chauf-

fer séparément, si bien que le processus de chauffage peut être réglé de façon précise. A cet effet, on préfère souvent utiliser des pièces à travailler ayant une section régulière

telles que des barres, des tiges, des tubes et similaires.

Selon le mode de réalisation préféré, on chauffe

rapidement les pièces à travailler individuelles par chauf-

fage électrique direct par résistance en suivant la tempé-

rature de la pièce à travailler au moyen d'un dispositif de, détection approprié. La rapidité du processus de chauffage qui permet le traitement économique de nombreuses pièces à travailler, provoque une austénitisation rapide. Le procédé

que l'on préfère particulièrement pour effectuer le chauffa-

ge rapide,selon l'invention, est décrit en détail dans le brevet US No. 3. 908.431 et comprend le passage d'un courant électrique à travers la pièce à travailler en acier; la résistance électrique que la pièce à travailler oppose au passage du courant électrique provoque un chauffage rapide et uniforme de la pièce à travailler sur la totalité de sa section. Il est capital, dans le procédé de l'invention,

d'effectuer rapidement le chauffage de la pièce à travail-

ler pour transformer l'acier en austénite, la durée pendant laquelle l'acier est maintenu au-dessus de la température

A1 devant être inférieure à 5 minutes. Dans la pratique pré-

férée de l'invention, on effectue l'austénitisation de l'acier par chauffage électrique direct par résistance en

une durée totale de chauffage comprise entre 5 et 100 se-

condes, la durée pendant laquelle l'acier est au-dessus de

la température A1 étant généralement inférieure à 40 secon-

des. Selon la pratique de l'invention, on charge tout d'abord la pièce à travailler en acier dans des contacts électriques et on l'assujettit solidement. On fait ensuite passer le courant électrique, et la pièce à travailler est rapidement chauffée à la température d'austénitisation. On

suit la température avec un pyromètre à rayonnement stan-

dard. Lorsque la température d'austénitisation appropriée a été atteinte, on arrête le courant et on libère la pièce

à travailler.

Lorsque l'on chauffe rapidement l'acier, comre pré-

cédemment décrit, il est nécessaire de chauffer l'acier à des températures plus élevées que celles requises pour le traitement au four. Par exemple l'alliage 4140 peut être entièrement austénitisé dans un four maintenu à 843 C,

* mais le temps nécessaire pour assurer l'austénitisation com-

plète serait de plusieurs heures. On peut austénitiser tota-

lement le même acier en moins d'une minute par chauffage électrique direct par résistance, mais on doit chauffer

l'acier à 927 C au lieu de 843 C. Cette relation temps-tem-

pérature pour l'austénitisation de l'acier résulte directe-

ment du fait que la diffusion du carbone dépend du temps et de la température. C'est un phénomène qui est bien connu de

l'homme de l'art.

Lorsque la pièce à travailler a été entièrement austénitisée à une température d'austénitisation appropriée,

on la retire du poste de chauffage et on la charge immédia-

tement dans un appareil de trempe. Elle est rapidement re-

froidie à une température proche de celle du bain de trempe et il se forme dans l'acier une structure essentiellement martensitique. On charge ensuite la piece trempée sur une

table de maintien.

Selon la pratique préférée de l'invention, on uti-

lise un milieu de trempe vivace. Les milieux de trempe sont classiquement affectés d'un facteur appelé vivacité de trempe ou "coefficient H". La vivacité de la trempe est fonction de la composition du milieu de trempe et du degré d'agitation. Par exemple, le coefficient H pour l'huile au repos est d'environ 0,25, tandis qu'une huile fortement agitée a un coefficient H voisin de 1,0. L'eau au repos a un coefficient H voisin de 1,0 et l'eau agitée peut avoir

des coefficients H supérieurs à 1,O, selon le degré d'agita-

tion. La pratique préférée de l'invention comprend l'emploi d'un procédé de trempe qui permet d'obtenir des coefficients H supérieurs à 1,2 en assurant un refroidissement uniforme de la pièce à travailler. On utilise un milieu de trempe aqueux qui peut être l'eau ou de l'eau contenant divers additifs de trempe classiques. Un certain degré d'agitation

est souhaitable pour assurer une trempe uniforme de la pièce. Lorsque la totalité de la charge de pièces à tra- vailler a été

austénitisée et trempée, on charge les pièces

à travailler sur la table d'entrée du revenu. Pendant l'opé-

ration de revenu, on charge individuellement les pièces à travailler dans le poste de chauffage, on les maintient sous tension (à une tension inférieure à la limite élastique de

l'acier) et on les chauffe à une température de revenu ap-

propriée. La combinaison du chauffage et de la tension pro-

voque le dressage de la pièce à travailler. La figure 1 est

un schéma de l'appareillage utilisé pour le traitement se-

lon les principes de l'invention.

La figure 1 montre l'appareillage de laboratoire qui a été utilisé pour le traitement de la plupart des aciers figurant dans le tableau 1. On pourrait utiliser d'autres formes d'appareillage pour traiter l'acier selon les principes de l'invention et l'appareillage représenté ne constitue qu'un exemple. Cet appareillage a été conçu pour des barres, des tiges ou des tubes ayant une longueur de 2,4 à 4,2 mètres et un diamètre compris entre 13 et 99 millimètres.

La figure 2 illustre schématiquement un appareilla-

ge utilisé pour le traitement de pièces à travailler en acier plus petites selon les principes de l'invention et

pour permettre une comparaison facile.

Comme précédemment expliqué, lorsqu'on utilise un

chauffage rapide pour austénitiser l'acier, les divers élé-

ments disposent de très peu de temps pour diffuser vers les

joints des grains d'austénite. Par conséquent, la résistan-

ce mécanique des joints des grains d'austénite demeure éle-

vée et l'acier résiste au criquage lors de la trempe. Ce phénomène est l'un des avantages principaux du présent procédé. Un autre avantage du traitement de l'acier selon les principes de l'invention est que la distorsion lors de

la trempe, lorsqu'on opère selon le nouveau procédé, est in-

férieure à celle observée lorsqu'on opère de façon classique.

Un autre avantage du cycle d'austénitisation rapide

est qu'il se forme très peu d'oxydes à la surface de la piè-

ce à travailler car l'acier est à des températures élevées uniquement pendant des périodes brèves. On peut, dans les

traitements au four, éviter la formation d'oxydes par em-

ploi d'une atmosphère protectrice, mais la formation d'une atmosphère protectrice est coûteuse. Le présent procédé évite la formation d'une quantité importante d'oxydes sur les pièces à travailler en acier et permet de réaliser des économies en ce qui concerne la perte de poids d'acier, le

coût du décapage de l'acier ou le coût de l'atmosphère pro-

tectrice. Un autre avantage du traitement selon les principes de l'invention, est la diminution de la décarburation qui se produit lors du traitement thermique. Lorsqu'on traite l'acier selon l'invention, le cycle d'austénitisation est très bref et le carbone dispose de très peu de temps pour réagir avec l'air et sortir de l'acier. Par conséquent, il

ne se forme pas de couches de décarburation sur l'acier.

Cet aspect du présent procédé permet de traiter des pièces à travailler que l'on a tournées ou meulées pour éliminer la couche de décarburation, sans risque de décarburer la

surface de la pièce à travailler. Par conséquent, la surfa-

ce de la pièce à travailler en acier peut être tournée ou meulée après laminage à chaud ou après recuit avant le traitement thermique. Dans le traitement classique, l'acier doit être tourné ou meulé après le traitement thermique

lorsque l'acier est à l'état durci.

Un autre avantage du traitement selon les principes de l'invention concerne les aciers utilisés pour un produit

ayant subi un traitement thermique satisfaisant à des con-

ditions données. Comme précédemment expliqué, le criquage par trempe et la distorsion par trempe, qui se produisent lors du traitement classique de l'acier, sont des problèmes

importants. Pour réduire ces problèmes, on utilise générale-

ment un milieu de trempe moins vivace. L'emploi d'une trempe moins vivave a pour inconvénient de ne pas permettre

d'atteindre le potentiel de durcissement total de l'acier.

Une conséquence du traitement selon les principes de l'in-

vention est que l'on peut utiliser un milieu de trempe vivace et réaliser le potentiel de durcissement total d'un

alliage donné.

Une autre caractéristique bénéfique de l'invention est associée à la diminution de la distorsion par trempe

lors du stade de revenu du traitement. Cet aspect du traite-

ment a été précédemment indiqué, et il semble que le phéno-

mène de dressage au revenu soit provoqué par la redistribu-

tion préférentielle des contraintes résiduelles dans la pièce à travailler. Des essais ont montré que la tension nécessaire pour provoquer le dressage au revenu est bien inférieure à la limite élastique de l'acier. Par conséquent ce phénomène diffère du dressage par traction et d'autres procédés de dressage mécaniques qui nécessitent d'exercer

des tensions supérieures à la limite élastique de l'acier.

Un avantage important de l'invention est qu'elle a un rendement énergétique élevé. Contrairement aux opérations classiques de traitement au four dans lesquelles on doit chauffer de gros fours à des températures élevées, dans

l'invention on ne chauffe pratiquement que la pièce à tra-

vailler. En pratique, des études ont montré que l'inven-

tion a un rendement de 70 à 90 % par rapport à un rendement maximal d'environ 35 % seulement pour un four classique muni

de récupérateurs.

Il est évident que l'invention apporte plusieurs avantages importants aux fabricants de pièces à travailler en acier ayant subi un traitement thermique. Le procédé de l'invention supprime pratiquement le problème du criquage par trempe. La distorsion par trempe est réduite au minimum, de même que la formation d'oxydes lors du traitement. On peut atteindre le potentiel de durcissement total de l'acier quand on utilise le procédé de l'invention, car on effectue une trempe vivace. De plus, on peut réduire fortement, lors du stade de revenu, toute distorsion qui se produit dans l'acier lors de l'austénitisation et de la trempe. On a également découvert que l'acier produit selon les princi.pes de l'invention a une uniformité supérieure à celle de

l'acier traité selon les techniques classiques. On a égale-

ment noté des améliorations de la ductilité, de la té-acité et de la résistance à la fatigue. L'invention est illustrée par les exemples non

limitatifs suivants.

EXEMPLE 1

Cet exemple établit une comparaison approfondie du traitement au four classique et du traitement therrmique selon les principes de l'invention. Dans cet exemrple, pour

montrer que les principes de l'invention suppriment prati-

quement le criquage par trempe, on soumet des barres à une austénitisation puis à une trempe, sans effectuer de stade de revenu, car ce dernier n'a essentiellement pas d'effet

sur le criquage par trempe.

L'analyse chimique de la coulée d'acier utilisée pour cet essai comparatif figure dans le tableau 1 - coulée A. Pour cette comparaison, on utilise l'acier 4150, car les aciers ayant des teneurs en carbone supérieures à 0,40 % ont tendance au criquage par trempe. Cette coulée contien_ également du tellure qui est un additif d'usinabilité. De façon générale, les additifs d'usinabilité tels que le tellure, le sélénium, le soufre et le plomb, accroissent les risques de criquage par trempe. Ces additifs form.ent des inclusions dans l'acier et les inclusions agissent comme des points d'amorcage des criques de trempe. Pour cet essai comparatif, on utilise les dispositifs illustrés par

la figure 2.

On prépare les échantillons utilisés dans cet essai comparatif, à partir de barres laminées à chaud

d'acier 4150 que l'on a décapées mécaniquement pour élimi-

ner les oxydes formés sur l'acier lors du laminage à chaud.

On a prélevé au hasard dix barres laminées à chaud et on

découpe des échantillons courts dans chacune de ces barres.

Chaque échantillon mesurait 53,3 cm de longueur et 26,06 mm de diamètre. Les vingt échantillons étaient divisés en deux groupes de dix. Un groupe a été destiné au traitement au

four et l'autre au traitement selon les principes de l'in-

vention. Les échantillons destinés au traitement au four ont été chauffés dans le four de laboratoire à une température de 8430C. Dans ce cas, un traitement au four de 4 heures a été nécessaire pour que la totalité de la charge de four

atteigne la température d'austénitisation. Chaque échantil-

lon a été trempé individuellement dans de l'eau agitée.

Aucun additif n'a été utilisé dans le bain de trempe et là

témpérature du bain était maintenue à 26,70C.

Ensuite l'autre groupe d'échantillons a été traité par chauffage électrique direct par résistance. Chaque échantillon a été chauffé à 9270C et trempé dans la même cuve de trempe que celle utilisée pour les échantillons traités au four. Seize secondes ont suffi pour chauffer

chaque échantillon à la température d'austénitisation dési-

rée. On notera que la température d'austénitisation utili-

sée pour le traitement électrique était supérieure de 840C

à la température d'austénitisation utilisée pour le traite-

ment au four. Une température d'austénitisation plus élevée

a été nécessaire pour le traitement électrique afin d'assu-

rer l'austénitisation complète de l'acier pendant ce cycle

de chauffage court. En général, des température d'austéniti-

sation plus élevées tendent à favoriser le criquage par trempe et l'emploi d'une température d'austénitisation plus élevée dans cet essai comparatif a faussé l'essai en faveur

du traitement au four.

Après achèvement de la trempe des deux groupes

d'échantillons, chaque échantillon a été examiné pour y re-

chercher les criques par trempe et mesuré pour déterminer

la rectitude. Des criques de trempe ont été facilement mi-

ses en évidence sur les échantillons traités au four et l'examen visuel a montré l'absence de criques de trempe des

échantillons traités électriquement. Pour confirmer l'absen-

ce des criques de trempe des échantillons traités électrique-

ment, ces échantillons ont été examinés de façon plus appro-

fondie selon une technique par ressuage d'un colorant. Dans

ce cas également, on n'a pas observé de criques de trempe.

On a également mesuré la rectitude de chaque échan-

tillon. Pour cela, on a placé l'échantillon sur une surface plane en poussant l'échantillon contre une barre d'acier rectiligne également placée sur la surface plane, puis on a mesuré la séparation maximale entre la barre rectiligne

et l'échantillon. On a divisé cette mesure (cm) par la lon-

gueur de l'échantillon (dm) pour obtenir une indication quan-

titative du degré de distorsion de chaque échantillon. On a également photographié les deux groupes d'échantillons et

les figures 3A et 3B montrent que les barres traitées élec-

triquement sont bien plus rectilignes que les barres trai-

tées au four. Le tableau 2 présente les résultats concer-

nant ces deux groupes de barres traités à chaud.

TABLEAU 2

Essai comparatif pour l'acier 4150 Numéros des Degré de échantillons distorsion Criques Four (cm/dm) de trempe

F-1 0,159 O

F-2 0,095 1

F-3 0,038 O

F-4 0,142 O

F-5 0,142 1

F-6 0,119 i

F-7 0,089 O

F-8 0,159 1

F-9 0,186 1

F-10 0,107 O

Distorsion moyenne 0,124 Criquage 50 % par trempe Numéros des Degré de échantillons distorsion Criques Electrique (cm/dm) de trempe

E-1 0,033 O

E-2 0,032 0

E-3 0,038 0

E-4 0,032 0

E-5 0,012 O

E-6 0,032 O

E-7 0,030 0

E-8 0,026 O

E-9 0,052 0

E-10 0,034 0

Distorsion moyenne 0,032 Criquage O % par trempe Il ressort de façon évidente des valeurs figurant

dans le tableau 2 et de l'examen des photographies des figu-

res 3A et 3B que l'acier austénitisé selon les principes de l'invention a une distorsion par trempe inférieure à celle de l'acier traité au four. En pratique, la distorsion des

échantillons traités au four a été plus de trois fois supé-

rieure à celle des barres traitées électriquement. On pour-

rait penser que la distorsion moindre des échantillons trai-

tés électriquement est due à une différence de la dureté après la trempe de ces échantillons. Cependant ce n'est pas le cas. Le tableau 3 montre un résumé des duretés mesurées sur la section transversale de pastilles découpées dans ces trois groupes d'échantillons après la trempe. Ces résultats montrent nettement qu'on obtient la même dureté dans les

deux groupes d'échantillons. Les légères différences obser-

vées correspondent aux limites de précision de l'essai de

dureté Rc.

TABLEAU 3

Comparaison des duretés de l'acier 4150 L'aspect le plus significatif des valeurs figurant

dans le tableau 2 est constitué par les résultats du criqua-

ge par trempe. Cinquante pour cent des échantillons traités au four présentent un criquage lors de la trempe à l'eau et cette fréquence du criquage par trempe est plus ou moins normale. Généralement,-on trempe l'acier 4150 dans l'huile pour éviter le criquage par trempe. Par conséquent, on

pourrait s'attendre à ce qu'un criquage se produise lors-

qu'on utilise de l'eau au lieu de l'huile avec cette nuance

d'acier. Cependant, aucun des échantillons traités électri-

quement n'a présenté de criquage, bien qu'on les ait trem-

pés exactement dans le même milieu de trempe et que l'on ait obtenu la même dureté après la trempe. Il semble que la raison de cette différence de la fréquence du criquage par

trempe puisse être attribuée au cycle d'austénitisation ra-

pide. Le cycle d'austénitisation utilisé ne laisse pas suffisamment de temps aux éléments nuisibles pour qu'ils

s'isolent sur les joints des grains d'austénite. Par consé-

quent, les joints des grains demeurent robustes et les échantiilons résistent au criquage par trempe. D'autre part, les échantillons traités au four disposent de suffisamment de temps pour qu'il se produise une ségrégation sur les joints des grains d'austénite et 50 % de ces échantillons

présentent un criquage.

Les figures 4A et 4B permettent de comparer la sur-

face d'un des échantillons traités au four et celle d'un Traité au four Traité électriquement Dureté moyenne au centre 62,2 Rc 62,1 Rc Dureté moyenne à mi-rayon 60,8 Rc 61,3 Rc I Dureté moyenne en surface 60,7 Rc 61, 4 Rc Dureté moyenne globale 61,2 Rc 61,6 R (30 essais) I_____61,2 Rc 61,6 Rc (30 essais des échantillons traités électriquement. On observe une crique de trempe dans l'échantillon traité au four. En général, les criques de trempe occupent toute la longueur des échantillons et elles suivent un trajet irrégulier d'une extrémité à l'autre. Une coupe d'un des échantillons

a montré que la crique de trempe s'étendait depuis la sur-

face jusqu'au centre environ de la section transversale.

L'examen de la cassure a montré qu'elle avait une nature

intergranulaire. Comme aucun des échantillons traités élec-

triquement n'a présenté de criquages par trempe, les cri-

ques n'ont pas pu être photographiées ni soumises à un

examen métallographique.

Les photographies des figures 4A et 4B illustrent

un autre aspect important des traitements d'austénitisa-

tion rapides de l'acier. La figure 4A montre que la surfa-

ce de l'acier traité au four porte une couche épaisse

d'oxydes. D'autre part, l'échantillon austénitisé électri-

quement ne comporte qu'une couche mince de calamine. Les mesures des épaisseurs des couches d'oxyde sur les barres traitées au four, ont montré une valeur variant entre

0,038 et 0,089 millimètre. On a tenté de mesurer l'épais-

seur de la couche d'oxyde des échantillons traités électri-

quement, mais cette couche était si mince que les mesures n'ont pas pu être effectuées. On peut simplement dire que l'épaisseur de la couche d'oxyde des échantillons traités

électriquement est inférieure à 0,0025 millimètre. L'absen-

ce d'une couche d'oxyde sur l'acier traité selon les princi-

pes de l'invention est un autre avantage évident de ce procédé.

EXEMPLE 2

Dans cet exemple, on répète les essais et les exa-

mens de l'exemple 1, mais avec une nuance d'acier différente.

On a prélevé au hasard dix barres laminées à chaud d'acier 6150 de la coulée B. On a décapé mécaniquement ces

dix barres et on en a découpé vingt échantillons. Ces échan-

tillons avaient une longueur de 53,3 centimètres et un dia-

mètre de 26,06 millimètres. L'analyse chimique de la coulée B figure dans le tableau 1 et on a choisi l'acier 6150 pour cette série d'essais, car on considère que cette nuance a tendance au criquage par trempe lorsqu'on la trempe à l'eau. On a utilisé les dispositifs illustrés par la figure

2 pour traiter à chaud ces vingt échantillons.

Dix des échantillons ont été traités au four avec une température d'austénitisation de 8430C et une durée de

chauffage de 4 heures. Après austénitisation, les échantil-

lons ont été trempés individuellement dans de l'eau agitée, examinés pour rechercher les criques de trempe et leur

rectitude a été-mesurée.

Les dix échantillons restants ont ensuite été aus-

ténitisés selon les principes de l'invention. La température

d:austénitisation choisie était de 9270C et la durée néces-

saire pour chauffer chaque échantillon était de 18 secondes.

Les échantillons ont été trempés individuellement dans le même bain que celui utilisé pour les échantillons traités au four. On a utilisé les modes opératoires décrits dans l'exemple 1 pour analyser ces échantillons et les résultats de ces essais figurent dans le tableau 4. Des photographies des échantillons, après la trempe, sont illustrés par les

figures 5A et 5B.

TABLEAU 4

Essai comparatif pour l'acier 6150 Identification Degré de Criques de l'échantillon distorsion de trempe Four (cm/dm)

F-1 0,114 0

F-2 0,077 1

F-3 0,159 1

F-4 0,160 1

F-5 0,127 2

F-6 0,095 O

F-7 0,117 1

F-8 0,072 1

F-9 0,000 1

F-10 0,038 1

Distorsion moyenne 0,096 Criquage 80 % Les valeurs du tableau 4 et les photographies des figures 5A et 5B montrent que l'austénitisation rapide tend à réduire la distorsion par trempe. Dans ce cas, le degré de distorsion des échantillons traités au four a été six

fois supérieur à celui des échantillons traités électrique-

ment.

Des essais de dureté ont été effectués sur la sec-

tion transversale d'éprouvettes provenant des échantillons traités au four ou traités électriquement et les résultats de ces essais de dureté figurent dans le tableau 5. Les

valeurs du tableau 5 indiquent que les deux groupes d'échan-

tillons ont été trempés essentiellement à la même dureté.

Par conséquent, les différences des degrés de distorsion par trempe et les différences de la fréquence du criquage par trempe ne peuvent pas être attribuées à des différences

du degré de transformation martensitique.

Identification Degré de Criques de l'échantillon distorsion de trempe électrique (cm/dm)

E-1 0,014 0

E-2 0,014 O

E-3 0,000 O

E-4 0,012 0

E-5 0,030 O

E-6 0,018 O

E-7 0,002 O

E-8 0,016 O

E-9 0,026 O

E-10 0,017 0

Distorsion moyenne 0,015 Criquage 0 %

TABLEAU 5

Comparaison des duretés pour l'acier 6150 L'aspect le plus significatif des valeurs présentées dans le tableau 4 concerne la comparaison du criquage par trempe. Quatre-vingt pour cent des échantillons traités au four ont présenté un criquage par trempe, alors qu'aucun

des échantillons traités électriquement n'en a présenté.

Ces valeurs montrent nettement que l'austénitisation rapide

supprime le problème du criquage par trempe.

* Les figures 6A et 6B montrent la surface d'un des

échantillons traités au four et la surface d'un des échan-

tillons traités électriquement. Une crique de trempe appa-

rait nettement sur l'échantillon traité au four. Ces photo-

graphies montrent également la couche épaisse d'oxyde sur l'échantillon traité au four et la couche relativement mince d'oxyde sur l'échantillon traité électriquement. On

considère que l'épaisseur des couches d'oxyde sur ces échan-

tillons sont les mêmes que celles des échantillons corres-

pondants de l'exemple 1.

Les résultats de cette série d'essais confirment les observations de l'exemple 1. L'austénitisation rapide, selon les principes de l'invention, évite le criquage par

trempe, réduit au minimum la distorsion par trempe et ré-

duit au minimum la formation d'oxydes sur l'acier. Des essais comparatifs de ce type ont été également effectués sur certaines des autres nuances d'acier ayant des teneurs

en carbone supérieures à 0,40 % qui figurent dans le ta-

bleau 1. Dans tous les cas, les résultats ont été semblables Traité au four Traité électriquement Dureté moyenne au centre 61,1 Rc 61,5 Rc Dureté moyenne à mi-rayon 60,8 Rc 61,1 Rc Dureté moyenne en surface 61,0 Rc 61,5 Rc Dureté moyenne globale 60,9 Rc 61,5 Rc (30 essais) et le nouveau procédé a évité qu'un criquage par trempe se produise.

EXEMPLE 3

Cet exemple fournit une preuve additionnelle de l'absence de criquage par trempe associée au présent procé- dé et décrit la gamme des produits commerciaux que l'on

peut préparer à partir d'acier 414X.

On a choisi pour le traitement, des barres laminées

à chaud de 10 coulées d'acier 414X du commerce et les ana-

lyses chimiques de ces dix coulées figurent dans le tableau 1: coulées C à L. L'alliage 414X a été choisi pour cet essai, car c'est l'alliage industriel le plus généralement utilisé pour le traitement thermique. Beaucoup des coulées choisies contenaient des additifs d'usinabilité tendant à favoriser le criquage par trempe de l'acier. Les diamètres des barres étudiées étaient compris entre 15,06 millimètres et 88,90 millimètres et les barres avaient une longueur

minimale de 2,4 mètres.

Le dispositif illustré par la figure 1 a été uti-

lisé pour traiter plusieurs barres de chaque coulée d'acier. Les barres ont été chargées dans le poste de

chauffage, chauffées à 9270C, puis trempées. Après la trem-

pe, les barres ont été retirées mécaniquement de la cuve

de trempe et chargées sur la table de maintien de sortie.

Lorsque la totalité d'un lot d'acier a été austénitisée et trempée, les barres ont été ramenées sur la table d'entrée, puis chauffées individuellement à diverses températures de revenu. On a étudié des températures de revenu comprises entre 482 et 7320C. Les barres les plus grosses traitées avaient un diamètre de 88,90 millimètres et une-longueur

de 3,0 mètres et l'austénitisation de ces barres nécessi-

tait au total 8 minutes. Toutes les autres barres de ces

dix coulées ont été austénitisées en moins de 8 minutes.

Les durées de revenu ont été comprises entre quelques se-

condes et environ 5 minutes.

Pour pouvoir caractériser de façon appropriée la gamme des propriétés mécaniques des barres faites de ces

dix coulées d'acier, on les a soumises à des essais poussés.

La figure 7 montre les valeurs de la résistance mécanique et de la ductilité obtenues. Chaque point du graphique

représente la résistance à la traction d'une barre corres-

pondant à l'une des dix coulées. Au total, cinquante barres ont été traitées. Les traits en pointillés servent à délimi- ter la gamme des propriétés mécaniques et ne représentent

aucune caractéristique statistique des données.

Les gammes illustrées par la figure 7 sont étonnam-

ment étroites si l'on considère que les diamètres de ces barres étaient compris entre 15,06 millimètres et 88,90 millimètres. Cette bande étroite des propriétés mécaniques implique que le nouveau procédé n'est pas sensible à de petites variations de la composition chimique de l'acier ni aux variations du diamètre. Il ressort également de

l'examen de la figure 7 que l'on peut facilement faire va-

rier les propriétés mécaniques de l'acier traité à chaud

dans une gamme étendue par simple ajustement de la tempéra-

ture de revenu.

On a également examiné chaque barre traitée pour

rechercher les criques de trempe et on n'en a pas trouvé.

Ceci est particulièrement remarquable, car on trempe géné-

ralement dans l'huile les barres de gros diamètres en acier 414X pour éviter le criquage par trempe. De plus, toutes les barres de gros diamètres étudiées (coulées J, K et L) étaient faites d'acier contenant des additifs d'usinabilité. Comme précédemment indiqué, les additifs

d'usinabilité tendent à favoriser le criquage par trempe.

Ces valeurs montrent nettement que le traitement selon les principes de l'invention peut être utilisé à grande échelle pour traiter des aciers du commerce sans qu'on ait à subir les pertes habituelles dues au criquage par trempe.

EXEMPLE 4

L'exemple 3 a montré que le présent procédé peut être utilisé pour le traitement thermique d'alliage 414X dans une gamme étendue des diamètres. Il a également montré que l'on peut, par application du présent procédé, éviter le criquage par trempe et il a illustré la gamme des propriétés mécaniques que l'on peut obtenir avec un tel alliage. Le présent exemple concerne une gamme plus étendue des compositions d'alliage et met en évidence la souplesse d'application du présent procédé ainsi que l'absence de criquage par trempe d'autres alliages. On a utilisé les dispositifs illustrés par la figure 1 pour traiter l'acier dans cet exemple. Toutes les barres traitées avaient une longueur minimale de 2,4 mètres et on a utilisé les procédés de traitement décrits dans l'exemple 3. Les températures d'austénitisation

étaient comprises entre 8710C et 9270C et les températu-

res de revenu entre 4820C et 7040C. Le tableau 1 indique les diamètres et les compositions chimiques des aciers

étudiés dans cet exemple et on a étudié les coulées sui-

vantes: A, B, M, N, O, P, Q, R, S et T. Plusieurs barres de chacune de ces coulées ont été traitées selon les principes de l'invention et les

propriétés mécaniques de chaque barre ont été détermi-

nées. Les figures 8 et 9 montrent les résistances à la traction en fonction de la température de revenu pour ces dix coulées d'acier. Tous les aciers se sont comportés de façon prévisible conformément à leurs teneurs en éléments d'alliage. La nature de la courbe correspondant à l'acier 6150 diffère quelque peu de celle des autres nuances car

cet acier contient du vanadium et il se produit un viellis- sement du vanadium dans cet acier à des températures de revenu proches de

6490C. Ce phénomène est courant dans les aciers contenant du vanadium et ne constitue pas un aspect

particulier de l'invention.

Après le traitement thermique, chaque barre de ces dix coulées a été examinée pour rechercher les criques de trempe et aucune n'a été constatée. Cependant, on notera qu'il n'est pas prévu que des aciers ayant des teneurs en carbone inférieures à 0,40 % présentent un criquage lors

d'une trempe à l'eau. Dans cet exemple, trois alliages en-

traient dans cette catégorie. Les sept autres coulées étu-

diées auraient tendance à présenter un criquage par trempe lors de la trempe à l'eau et l'alliage 1144 aurait une

forte tendance au criquage car trempe par suite de sa te-

neur élevée en soufre.

Lors du traitement de ces différentes nuances

d'acier, on a tenté de déterminer la température d'austéni-

tisation idéale pour un alliage donné. Bien entendu, on a utilisé des températures plus élevées lorsqu'on a effectué une austénitisation rapide afin de compenser la brièveté du cycle. Les résultats expérimentaux ont montré que la

température d'austénitisation devait être supérieure d'en-

viron 1120C à la température A3 d'un acier donné. On notera que cette température est considérablement plus élevée que la température recommandée pour un traitement thermique au four. Cet exemple déemontre que le nouveau procédé peut

être appliqué sans difficulté à une gamme étendue d'allia-

ges d'acier. Cet exemple démontre également que le présent procédé supprime le problème du criquage par trempe pour une gamme étendue de nuances d'acier et démontre ainsi la

souplesse d'application du présent procédé.

EXEMPLE 5

Cet exemple démontre que l'on peut appliquer le présent procédé à des pièces à travailler en acier ayant

la forme de tubes.

On a utilisé l'appareil illustré par la figure 1 pour traiter trois tubes faits d'une coulée du commerce d'acier 4130. L'analyse chimique de cette coulée (coulée U) figure dans le tableau 1. Les tubes utilisés pour cet

essai avaient un diamètre de 38,1 millimètres et une épais-

seur de la paroi de 9,5 millimètres. Ces tubes ont été traités avec les appareils de traitement thermique comme

s'ils étaient des barres et on n'a rencontré aucune diffi-

culté. Chaque tube a été austénitisé à 9270C et revenu en-

tre 399 et 5650C. Après le traitement thermique, les tubes ont été soumis à des essais pour déterminer les propriétés mécaniques. Les résultats de ces essais figurent dans le

tableau 7

TABLEAU 7

Propriétés mécaniques de tubes soumis à un traitement thermique Résistance à Limite Allongement Striction Traitement la traction élastique (%) (7) (MPa) (MPa) M Tous les tubes ont été austénitisés à

927C.

Revenu à 3990C 1397,2 1268,4 12,5 59,1 Revenu à 4820C 1272,6 1200,9 13,0 62,4 Revenu à 5660C 1097,6 1003,2 16,0 67,3

Chaque tube a été examiné pour rechercher les cri-

ques de trempe et déterminer l'uniformité. On n'a pas obser-

vé de criques de trempe et l'uniformité de l'acier de la

surface à l'intérieur et sur la longueur était excellente.

Cet exemple montre que l'on peut appliquer sans

aucune difficulté les principes de l'invention à des tubes.

Aucune modification de l'appareil n'est nécessaire, ce trai-

tement thermique produit un tube uniforme de résistance

mécanique élevée.

EXEMPLE 6

Cet exemple illustre le phénomène de dressage au revenu précédemment indiqué. On peut utiliser le dressage au revenu pour réduire l'importance de la distorsion par trempe qui se produit lorsqu'on traite à chaud des pièces

à travailler longues.

On a traité, selon les principes de l'invention, des barres des deux coulées J et K d'acier 4142. L'analyse chimique et les diamètres de ces barres figurent dans le tableau 1 et l'appareil illustré par la figure 1 a été

utilisé pour traiter ces deux coulées d'acier.

Dans cet essai, on a mesuré la rectitude de chaque barre après trempe, puis après revenu. Pendant le revenu, une force de tension de 392 daN a été appliquée à la pièce

à travailler en acier par les contacts électriques. L'im-

portance de cette tension est insuffisante pour provoquer

une déformation plastique de ces barres de gros diamètres.

Cependant, pendant le revenu, on a observé que ces barres présentaient un degré considérable de dressage. La figure A montre une photographie de barres de la coulée J après la trempe. On notera que la cinquième barre de ce groupe a été fortement déformée lors de la trempe par suite d'un défaut local du système d'agitation dans l'appareillage de trempe. La figure lOB montre les mêmes barres après revenu sous tension. On notera l'amélioration considérable de la rectitude des barres après le revenu. Le tableau 8 montre les valeurs de la rectitude de ces barres après la trempe et après le revenu. Les températures de revenu

figurent également.

TABLEAU 8 -

Distorsion de barres de la coulée J (longueur es barres 3,76 m) Distorsion après Distorsion Température la trempe après revenu de revenu (cm/dm) (cm/dm) (OC)

0,0296 0,0044 482

0,0465 0,0087 538

0,0422 0,0087 593

0,0168 0,0044 649

0,2153 0,0704 704

0,0084 0,0044 649

0,0210 0,0044 649

0,084 0,0044 649

Moyenne:

0,0485 0,0137

On a répété cette expérience sur des barres de plus

gros diamètre de la coulée K. Le tableau 9 montre les résul-

tats des mesures de la rectitude effectuées lors du traite-

ment de cette coulée.

TABLEAU 9

Distorsion de barres de la coulée K (longueur des barres 3,76 mi)

Les valeurs des tableaux 8 et 9 illustrent le phéno-

mène de dressage au revenu. Dans les deux cas, il s'est pro-

duit une diminution considérable de la distorsion des barres due à la combinaison d'un petit effort de tension et d'un chauffage rapide. L'effort de tension appliqué à ces barres était si faible que ce phénomène de dressage ne peut pas s'expliquer par une déformation permanente de l'acier. Au

contraire, cette diminution de l'importance de la distor-

sion est due à la redistribution préférentielle des con-

traintes résiduelles dans la barre. Il ne serait pas possi-

ble d'obtenir cet effet de dressage avec un traitement de revenu au four, car la masse de la charge du four tendrait à fixer la forme des pièces à travailler et à empêcher leur

dressage.

EXEMPLE 7

Cet exemple décrit les résultats d'un essai compa-

ratif complet de traitement thermique classique et du Distorsion après Distorsion Température la trempe après revenu de revenu (cm/dm) (cm/dm) (OC)

0,0253 0,0253 482

0,0760 0,0210 538

0,1689 0,0253 593

0,1689 0,0296 649

0,1858 0,0296 704

Moyenne:

0,1250 0,0262

traitement thermique selon les principes de l'invention.

L'analyse chimique de l'acier utilisé pour cet essai compa-

ratif (coulée G) figure dans le tableau 1. On a confirmé que cette coulée particulière d'acier 4140 ne présente pas de criquage par trempe lorsqu'on l'austénitise au four et qu'on la trempe à l'eau. Il était donc possible d'effectuer un essai comparatif dans ce cas particulier. L'appareillage illustré par la figure 2 a été utilisé pour préparer des

échantillons pour cette série d'essais.

Les échantillons traités au four ont été austéniti-

sés à 843 C pendant une heure, trempés dans de d'eau agitée,

puis soumis à un revenu pendant une heure à des températu-

res comprises entre 482 et 593 C. Les charges du four ont été maintenues peu importantes pour que les traitements

d'austénitisation et de revenu soient appropriés. Une quan-

tité égale d'acier a ensuite été traitée selon les princi-

pes de l'invention par chauffage électrique direct par résistance. Une température d'austénitisation de 927 C a

été utilisée pour tous les échantillons chauffés électri-

quement et les températures de revenu étaient comprises en-

tre 538 et 704 C. Les durées d'austénitisation de chaque échantillion étaient de 42 secondes et toutes les durées de revenu étaient inférieures à 30 secondes. Ces traitements ont produit des échantillons ayant une résistance à la

traction comprise entre 1034 MPa et 1447 iMPa, et on a trai-

té suffisamment d'échantillons à divers niveaux pour établir des comparaisons de dureté, de résistance mécanique, de ductilité, de résistance à la fatigue et de ténacité au

choc Charpy.

Les résultats de l'essai de résistance à la trac-

tion ont montré que l'acier traité selon l'invention avait une ductilité améliorée par rapport à un acier traité de

façon classique. La figure 11 est un graphique de la résis-

tance à la traction en fonction de l'allongement d'échan-

tillons traités selon les deux techniques. Ce graphique montre une amélioration de la ductilité associée au présent procédé. Les différences sont de faible importance, mais la tendance est nette. Cette amélioration de la ductilité est attribuée à la microstructure affinée qui se produit par suite du traitement d'austénitisation rapide. Ensuite, pour effectuer les essais de fatigue, on a préparé selon les

deux procédés des barres d'acier de volume relativement im-

portant ayant la même résistance mécanique. Des échantil-

lons par flexion rotative régulière ont été préparés à par-

tir de ces barres et étudiés pour déterminer la limite de fatigue de l'acier. Plusieurs éprouvettes de détermination de la résistance à la traction et de la dureté ont été également préparées à partir de ces barres. Le tableau 10 montre les résultats des essais de cet acier. Les valeurs

de ce tableau montrent nettement l'amélioration de la ré-

sistance à la fatigue et du facteur d'endurance.

TABLEAU 10

Propriétés mécaniques des éprouvettes de fatigue (coulée G)

Des essais de ténacité au choc Charpy ont égale-

ment été effectués sur des échantillons de ces deux lots d'acier préparés pour qu'ils aient la même résistance à la traction (1240 MPa). Le tableau 11 montre les résultats de

l'essai de choc Charpy dans une gamme étendue des tempéra-

Propriétés mécaniques Traité au four électriquement Résistance à la traction 1158,9 1158,2 (MPa)1189152 Limite élastique (MPa) 1077,6 1070,0 Allongement (%) 15,8 16,5 Striction (%) 53,5 57,1 Dureté du centre (Rc) 36,4 36,8 Limite de fatigue (MPa) 611,8 630,4 Facteur d'endurance 0,528 0, 544 Facteur d'endurance = limite de fatigue/résistance à

la traction.

tures. On notera que l'énergie de choc est supérieure pour

l'acier traité selon l'invention quelle que soit la tempé-

rature d'essai.

Valeurs du choc

TABLEAU 11

Charpy pour la Les valeurs présentées dans cet exemple montrent qu'un acier produit selon les principes de l'invention est supérieur par sa ductilité, ses propriétés de fatigue et sa ténacité au choc Charpy par rapport à l'acier produit

selon les techniques classiques.

EXEMPLE 8

Comme précédemment indiqué, le chauffage au four

présente certains problèmes de régulation dus à la varia-

tion de la température entre la surface et le centre de la charge du four. Cette variation de température provoque un défaut d'uniformité du produit traité au four. Pour étudier cette hypothèse, on a acheté à un revendeur d'aciers un

échantillon d'acier 4142 traité au four. On a ensuite pré-

paré un échantillon semblable avec l'appareil illustré par la figure 1 et selon les principes de l'invention. Les deux échantillons étaient constitués de 29 barres d'acier 4142 de 2,54 centimètres de diamètre et d'environ 3,6 coulée G Température Traité au four Traiumtté d'essai éetiumn

(OC) (J) (J)

56,9 - 78,6

56,9 59,7

24 52,9 56,9

O 49,5 54,2

-25 35,9 43,4

-40 32,5 37,3

-50 25,8 27,8

-72 19,7 22,4

mètres de long. Les analyses chimiques de ces deux coulées

(coulées V et W) figurent dans le tableau 1.

L'acier préparé, selon les principes de l'inven-

tion, a été austénitisé à 9270C et soumis à un revenu à 6880C. Ensuite, les pièces à travailler ont été dressées mécaniquement aux tolérances commerciales. Une éprouvette d'essai de traction et une éprouvette d'essai de dureté ont été découpées dans chaque barre et on a utilisé des techniques d'analyse statistique pour évaluer l'uniformité de l'acier. La même série d'essais et les mêmes analyses ont été effectuées sur l'acier produit classiquement et

le tableau 12 montre les résultats des analyses statis-

tiques de ces deux lots d'acier.

TABLEAU 12

Analyses statistiques de l'uniformité de l'acier 4142 Les données du tableau 12 démontrent que l'acier traité selon les principes de l'invention est plus uniforme

que l'acier traité au four. Dans chaque catégorie de pro-

priétés mécaniques, la gamme des valeurs obtenue est plus étendue pour le produit traité au four. Les différences

entre les uniformités de ces deux aciers sont particulière-

ment nettes lorsqu'on considère la résistance à la traction et la dureté. Les valeurs du produit traité au four sont Propriétés Traité au four Traité Propriétés électrique-ment mécaniques Gamme Ecart-type Gamme Ecarttype Résistance à la 164,7 29,33 75,1 15,74 Limite élastique 156,4 29,28 99,2 25,52 (MPa) Allongement (%) 5,0 1,045 3,0 1,127 Striction (%) 9,6 2, 216 5,6 1,344 Dureté du centre 6,0 1,394 3,0 0,577 (Rc) comprises dans une gamme double de celle de l'acier traité

électriquement. L'écart-type de la résistance à la trac-

tion des deux aciers indique également que l'acier produit selon les principes de l'invention est environ deux fois plus uniforme. De même, les duretés indiquent que le pro-

duit traité électriquement est environ deux fois plus uni-

forme que le produit traité au four.

Pour démontrer que le procédé de l'invention permet d'atteindre le potentiel de durcissement total par trempe vivace correspondant à la teneur en éléments d'alliage, on a établi une comparaison entre l'échantillon produit classiquement décrit dans l'exemple 8 (coulée 5) et un échantillon d'acier moins allié (1045; coulée 0) que l'on a traité selon l'invention. Le tableau 13 (coulée 0) permet de comparer les propriétés mécaniques et l'importance de la teneur en éléments d'alliage de ces deux aciers. Ces deux échantillons particuliers ont été choisis pour cette comparaison, car ils ont approximativement la même limite élastique.

TABLEAU 13

Comparaison de deux aciers soumis à un traitement thermique 4142 traité 1045 traité au four électriquement Résistance à la traction 1002,5 1047,3 (MPa) Limite élastique (I4Pa) 891,6 894,3 Allongement (%) 17,5 18,0 Striction (%) 60,0 62,3 Teneur en carbone (%)0,41 0,44 Teneur en manganèse (%) 0,79 0,82 Teneur en chrome (%) 1,01 0,03 Teneur en molybdène (%) 0,18 0,01 Les valeurs du tableau 13 montrent que l'on peut atteindre le potentiel de durcissement total de l'acier 1045 correspondant à la dureté d'un acier plus fortement allié et traité classiquement. Dans ce cas, l'acier 1045 présente une meilleure combinaison des propriétés mécaniques que l'acier 4142. Dans l'exemple ci-dessus, les deux

aciers ont à peu près la même teneur en carbone et en manga-

nèse, mais l'acier 4142 contient bien plus de chrome et

de molybdène.

EXEMPLE 10

Cet exemple démontre que le procédé de l'invention réduit au minimum la décarburation qui se produit lors du

traitement thermique. Pour démontrer cet effet, on a pré-

paré deux échantillons métallographiques. Le premier échan-

tillon a été préparé à partir de la coulée 5 qui est un

exemple typique d'acier traité au four. Le second échantil-

lon a été préparé à partir de la coulée A qui est un acier que l'on a traité selon les principes de l'invention. Les deux échantillons ont été coupés de façon à ce que l'on puisse facilement examiner la couche de décarburation à proximité de la surface. Les figures 12A et 12B montrent

les résultats de l'examen métallographique.

Il ressort nettement de l'examen de ces deux figu-

res que l'acier traité au four a été fortement décarburé

tandis que l'acier traité selon les principes de l'inven-

tion présente peu de décarburation. Pour vérifier les ob-

servations métallographiques, on a effectué des essais de

microdureté sur les coupes préparées de ces deux échan-

tillons. Les résultats des essais de microdureté sont illus-

très par la figure 13. Les essais de microdureté ont révélé qu'il existait une légère décarburation au voisinage de la

surface de l'acier traité selon les principes de l'inven-

tion. Cependant, l'importance de cette décarburation est relativement faible par rapport à la décarburation de

l'échantillon traité au four.

A partir de ces observations et d'autres, on peut

conclure que le procédé de l'invention contribue à rédui-

re au minimum la décarburation de l'acier lors du traite-

ment. Ceci est très probablement un résultat direct du cy-

* cle d'austénitisation très court utilisé. Le temps est

trop court pour qu'il se produise une décarburation impor-

tante. Il ressort de ces exemples que l'invention apporte une amélioration importante du procédé d'austénitisation,

de trempe et de revenu des aciers. Le présent procédé amé-

liore le rendement énergétique par l'emploi d'un chauffage électrique direct par résistance. Le problème du criquage par trempe est pratiquement éliminé et le problème de la distorsion par trempe est fortement réduit. De plus, dans

le dernier stade du traitement, on peut corriger la dis-

torsion par trempe produite.

L'oxydation de la surface de l'acier et la décar-

buration sont d'autres problèmes courants que le présent

procédé réduit au minimum. Le procédé de l'invention per-

met également d'atteindre le potentiel de durcissement

total de l'acier. Enfin, le produit obtenu selon le procé-

dé de l'invention a une uniformité supérieure à celle d'un

produit obtenu selon des techniques classiques et il pré-

sente une amélioration de la ductilité, de la ténacité et

de la résistance à la fatigue.

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation de l'exemple décrit et représenté, elle est susceptible de nom]Dreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées

et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour le traitement thermique d'aciers sans criquage par trempe, caractérisé en ce qu'il comprend des stades qui consistent à (a) chauffer rapidement une pièce à travailler en acier à une température supérieure à la température A3

de l'acier pour transformer l'acier en austénite, la vites-

se de chauffage étant telle que l'acier soit maintenu à une température supérieure à la température A1 pendant moins de 300 secondes, (b) tremper l'acier dans un milieu de trempe liquide pour transformer l'austénite en une microstructure

essentiellement martensitique, et.

(c) faire revenir l'acier en soumettant la

pièce à travailler à une tension tout en chauffant rapide-

ment la pièce à travailler à une température inférieure à la température A1 de l'acier pour transformer l'acier en

une structure martensitique revenue.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe rapidement l'acier à une température supérieure à la température A3 par chauffage électrique

direct par résistance.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on chauffe l'acier lors du revenu par chauffage

électrique direct par résistance.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce à travailler est constituée d'un acier

ayant une section régulière.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on trempe la pièce à travailler dans des conditions telles que le coefficient de vivacité de la trempe soit

supérieur à 1,2.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on soumet la pièce à travailler à une tension lors du revenu, la tension ayant une valeur telle que les efforts développés dans la pièce soient inférieurs à la limite

élastique de l'acier.

7. Procédé pour le traitement thermique d'aciers sans criquage par trempe, caractérisé en ce qu'il comprend des stades qui consistent à: (a) chauffer rapidement une pièce à travailler en acier de section régulière à une température supérieure à la température A3 de l'acier pour transformer l'acier en austénite, la vitesse de chauffage étant telle que l'acier soit maintenu à une température supérieure à la température A1 pendant moins de 300 secondes, et (b) tremper l'acier dans un milieu de trempe liquide pour transformer l'austénite en une microstructure

essentiellement martensitique, pour que l'acier soit dépour-

vu de défauts de trempe et présente une faible déformation

par trempe.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en

ce qu'on chauffe rapidement l'acier à une température supé-

rieure à la température A3 par chauffage électrique direct

par résistance.

9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en

ce que la pièce à travailler est en acier de section régu-

lière.

10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé

en ce queI trempe la pièce à travailler dans des condi-

tions telles que le coefficient de vivacité de trempe soit

supérieur à 1,2.

11. Procédé pour le traitement thermique d'aciers évitant le problème du criquage par trempe grâce à l'emploi d'un cycle d'austénitisation court, caractérisé en ce qu'il consiste à: (a) chauffer rapidement une pièce à travailler en acier à une température supérueure à la température A3 de l'acier, pour transformer l'acier en austénite, avec une vitesse telle que le temps pendant lequel l'acier est

à une température supérieure à la température A1 est insuf-

fisant pour qu'une quantité importante d'éléments de fragi-

lisation diffuse sur les joints des grains d'austénite, et (b) tremper la pièce à travailler en acier

dans un milieu liquide de trempe pour transformer l'austéni-

te en une microstructure essentiellement martensitique.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce queV-/nffectue le chauffage par chauffage électrique

direct par résistance.

13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le temps pendant lequel la pièce à travailler est

à une température supérieure à la température A1 est infé-

rieur à 300 secondes.

14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce quelj rempe la pièce à travailler dans des conditions telles que le coefficient de vivacité de la trempe soit

supérieur à 1,2.

15. Procédé selon la revendication 11, caractérisé

en ce que les pièces à travailler sont allongées.

16. Produit en acier amélioré, caractérisé en ce

que l'acier a subi un traitement thermique suivant un procé-

dé conforme à l'une des revendications 1 à 15.