FR2594142A1 - Tige brisable pour dispositif de fixation, et son procede d'obtention - Google Patents

Abstract

L'invention est relative à un dispositif de fixation comprenant une tige 10 dont le corps 14 présente de multiples gorges 22 et un manchon déformable 12 dont la matière, sous l'action d'un outil 44 pénètre dans les gorges avant que la tige soit rompue par traction. Pour obtenir des caractéristiques régulières et convenables, la tige est en acier qui, par traitements thermiques successifs a été amenée à une structure austénitique à gros grain, puis martensitique puis sorbitique, à grain fin et homogène. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

La présente invention est relative à des fixa-

tions en général, et plus particulièrement à une tige pour un dispositif de fixation du type comprenant un organe tubulaire déformable par repoussage, qui sera désigné dans la suite, en bref, par "un collier", et une tige d'acier présentant une série de gorges annulaires dans lesquelles la matière du collier peut être repoussée, au moins une de ces gorges définissant un collet de rupture au niveau duquel la tige se rompra lorsqu'elle sera soumise à une traction prédéterminée, si bien

qu'une partie de la tige peut être séparée du reste lors-

qu'elle a rempli son rôle. L'invention est aussi relative à un procédé de fabrication d'une tige pour une telle fixation. L'invention se rapporte en particulier, mais non exclusivement à des fixations du type décrit dans les demandes de brevet GB-A-84 09167 et GB-A-85 15258, au nom de la demanderesse, et dans lesquelles la tige présente une série de gorges similaires et proches l'une de l'autre, dont chacune définit un collet de rupture et peut servir soit comme amorce de rupture soit comme rainure de blocage

par coopération avec la matière déformée du collier.

De telles gorges sont connues sous le nom de "gorges combinées" et les fixations correspondantes sous le nom de "fixations multiprises" car elles sont capables de s'adapter à des épaisseurs différentes de pièces à fixer.

Comme cela est expliqué dans les demandes pré-

citées, le profil de toutes les gorges combinées est tel que chacune d'elles, quand elle se trouve à l'extrémité du collier o la déformation a commencé fonctionne comme un collet de rupture. Pour que la tige ait des propriétés mécaniques convenables et donne des résultats satisfaisants

et réguliers (par exemple avec des échantillons de caracté-

ristiques nominales identiques), en particulier en ce qui concerne la résistance de la tige, l'emplacement de la rupture et la forme de la surface de rupture, on a trouvé qu'il était nécessaire d'opérer un traitement thermique convenable pour assurer les propriétés désirées. Si la matière de la tige est trop fragile ou trop tendres la cassure peut se produire dans une gorge éloignée du col- lier, ou bien la tige peut se rompre avant que le collier soit complètement déformé. Par ailleurs la matière de la tige peut se déformer exagérément avant rupture, ou bien on peut avoir des cassures à l'intérieur du

collier ou s'étendant obliquement sur plus d'une gorge.

La demanderesse a défini un type d'acier, et un traitement thermique pour cet acier, qui rendent possible l'obtention de tiges pour dispositifs de fixation du genre dont on a parlé plus haut, et qui

aient les caractéristiques mécaniques désirées.

La présente invention fournit une tige par dis-

positif de fixation du type comprenant un organe tubulaire déformable et une tige présentant une série de gorges

annulaires à l'intérieur desquelles la matière de l'orga-

ne tubulaire peut être repoussée, au moins une des gorges constituant un collet de rupture o la tige se rompt

quand elle est soumise à une traction de force prédé-

terminée, ladite tige comprenant un corps allongé portant

des gorges annulaires, et ayant une microstructure essen-

tiellement homogène et consistant pratiquement seulement

en martensite ayant subi un recuit sorbitique.

Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci

fournit un procédé pour fabriquer unetige pour un dispo-

sitif de fixation du type comprenant un organe tubulaire déformable et une tige présentant une série de gorges

annulaires à l'intérieur desquelles la matière de l'orga-

ne tubulaire peut être repoussée, au moins une des gorges constituant un collet de rupture o la tige se rompt quand elle est soumise à une traction de force prédéterminée, ce procédé comportant les étapes suivantes: a) préparer par formage à froid une ébauche ayant la forme désirée pour ladite tige, en acier à moyen carbone ayant subi un revenu de sphéroldisation et présentant une microstructure à gros grain, avec une grosseur de grain comprise entre celles qui sont définies par ASTM 3 et ASTM 7.

b) chauffer l'ébauche sous atmosphère régé-

nérant le carbone, jusqu'à une température dépassant la température critique A3 de l'acier pendant une durée

suffisante pour que l'acier de l'ébauche devienne complè-

tement austénitique avec une microstructure essentielle-

ment homogène et à gros grain, c) tremper l'ébauche austénique de façon à convertir l'austénite en martensite, d) faire subir à l'ébauche martensitique un

recuit pour transformer la martensite en sorbite.

On peut avantageusement prévoir que: la température à laquelle l'ébauche est chauffée pour rendre l'acier austénique dépasse la température

critique A3 de 50 à 150 00.

L'ébauche austénitique est trempée à l'huile.

L'ébauche martensitique subit ledit recuit à une température ne dépassant pas la température critique A1 mais en approchant aussi près qu'il est possible, ou bien elle subit ledit recuit à une température de la

gamme 650 à 700 00.

L'ébauche est maintenue à la température

d'austénitisation pendant une durée de 30 à 90 minutes.

L'acier est un acier calmé au silicium.

L'acier a une teneur en carbone initiale de

0,3 à 0,6 % en poids.

L'atmosphère régénérant le carbone produit un potentiel carbone suffisant pour maintenir la teneur en carbone à la surface de l'ébauche à une valeur qui n'est pas inférieuxeà celle de l'acier avant le chauffage de l'ébauche, ou bien un potentiel carbone sur la surface

de l'ébauche ou près de celle-ci, de 0,4 à 0,7 % environ.

L'atmosphère régénérant le carbone à un point

de rosée dans la gamme de -4 C à +1oC.

On va maintenant décrire l'invention à l'aide

d'un exemple, et en se référant à une modalité spécifi-

que de mise en oeuvre illustrée avec les dessins parmi lesquels: la figure 1 est une vue, partiellement en coupe, d'une fixation comprenant une tige conforme à l'invention, avec une pièce à fixer et une partie d'un outil de mise en place, la vue montrant la tige en élévation latérale

avec des détails de surface supprimés pour plus de clarté.

La figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1, mais montrant la fixation à la fin de la mise

en place.

La modalité de l'invention illustrée à titre d'exemple est une fixation multiprise du type connu habituellement sous le nom de "boulon bloquant". En se rapportant à la figure 1, la fixation comprend une tige et un organe tubulaire 12, constituant un collier de

forme générale cylindrique, avec un flasque à une extré-

mité. Ce collier 12 est en acier malléable, et la tige est

en un acier dont la nature sera précisée plus loin.

La tige 10 comprend un corps allongé 14 et à une de ses extrémités une tête élargie 16. Le corps 14 présente une courte partie cylindrique 18, immédiatement adjacente à la tête 16, et, à l'extrémité opposée à la tête, c'est-à-dire "l'extrémité de queue" du corps, une

partie biseautée ou "chanfrein" 20.

Le reste du corps de la tige, entre la partie cylindrique 18 et le chanfrein 20 présente une série de gorges annulaires 22, essentiellement identiques, et régulièrement espacées. Ces gorges occupent donc, ensemble, presque toute la longueur du corps 14. Chaque gorge 22 est une gorge combinée, c'est-à-dire qu'elle peut jouer, selon les cas, le rô1e de gorge de blocage, de gorge de traction ou de gorge de rupture. Ainsi, chaque gorge 22 est limitée par des flancs 24, 26 dont la forme est caleulée pour faciliter la prise et la traction

du corps à l'aide d'un outil adapté de prise et de trac-

tion, et cette forme est aussi calculée pour que la gorge puisse recevoir la matière du collier quand celui-ci est repoussé pour être déformé radialement. Les flancs de la gorge servent alors comme butée pour la matière du collier qui a pénétré dans la gorge et s'opposent ainsi à un mouvement axial relatif de la tige et du collier,

causant ainsi leur verrouillage reciproque.

Les flancs de chaque gorge ont un profil qui converge radialement vers l'intérieur du corps, et se relient à une région incurvée à faible rayon de courbure

dans le sens longitudinalqui forme le fond 28 de la gorge.

La matière du corps qui se trouve radialement à l'intérieur par rapport au fond de la gorge forme un collet de rupture étroit, dont le diamètre est calculé, en fonction des caractéristiques mécaniques de cette matière, pour assurer que le collet de rupture se brisera sous une force de traction prédéterminée, qui peut être la même pour chaque

collet de rupture.

Le collier 12 est emmanché avec jeu sur le corps

14 de la tige 10, et sa longueur est suffisante pour recou-

vrir plusieurs gorges 22 adjacentes, six ou sept dans l'exemple décrit* Un outil de mise en place 44, capable d'opérer une traction et un repoussage, d'un type classique utilisé pour mettre en place des "boulons bloquants" est utilisé avec le dispositif de fixation de l'invention. Il comprend une matrice annulaire de repoussage 46 et des machoires 56 de prise et de traction, pourvue de dents de forme adaptée pour coopérer avec les gorges 22 de la tige 10o En actionnant l'outil on amène les machoires 56 à agripper la tige 10 passant à travers la matrice et entre les machoires, et on tire la tige en la déplaçant par rapport

à la matrice.

Pour l'utilisation, on insère la tige 10 dans des trous du panneau 60, 62 de pièces à fixer l'une sur l'autre, la tête 16 de la tige venant en appui sur une face 70 d'un panneau 60 et le corps faisant saillie au-delà de la face opposée 72 de l'autre panneau 62. On enfile alors le collier 12 autour de la partie du corps qui fait saillie, jusqu'à le mettre en appui sur la

face 72, puis on place l'outil sur le dispositif de fixa-

tion et on l'actionne pour lui faire agripper et tirer le corps 14 pendant que le collier vient en appui, par son extrémité extérieure,c'est- à-dire celle qui est à l'opposé de la face 72, contre la matrice 46. Les deux panneaux sont ainsi serrés fermement entre la tête 16 et le collier 12, comme on peut le voir à la figure a, après quoi, la continuation de la traction force la matière à refouler progressivement le collier vers l'intérieur dans le sens radial, en commençant par son extrémité extérieure, et en avançant vers les pièces à fixer. Finalement, on augmente la force de traction jusqu'à la valeur prédéterminée à laquelle la tige se rompt, ce qui permet d'enlever l'outil avec la partie cassée de la tige, le collier déformé et la partie restante de la tige assurant

le maintien des panneaux l'un contre l'autre.

Un résultat de l'action de la matrice refoulant

le collier progressivement à partir de son extrémité exté-

rieure est qu'elle exerce sur la tige une force dirigée radialement vers son axe dans la région située juste en-dessous de cette extrémité extérieure du collier. Cette force est appliquée aux flancs des gorges de cette région et engendre des composantes axiales qui imposent une contrainte de traction additionnelle au collet de

rupture constitué par le fond de ces gorges. En consé-

quence, la tige tend à se rompre toujours dans cette région, et ce fait permet d'assurer un résultat très favorable, à savoir que la tige se rompt au ras de la face extérieur du collier, ou juste au-dessous de cette face, là o la contrainte de traction est la plus élevée,

comme cela est représenté à la figure 2.

Cependant, l'état métallurgique de la matière de la tige peut avoir une influence significative sur l'adaptation de celle-ci au but recherché, sur la régularité avec laquelle elle se rompera à l'endroit voulu, et sur la forme de la surface de la cassureo En particulier, il est important que la tige ait des résistances convenables à la traction, au cisaillement et au choc, ainsi qu'une dimension de grain et une dureté adaptées, tout en évitant un métal trop tendre, trop

ductile ou trop fragile.

Pour former la tige, on utilise une ébauche ayant la forme et les dimensions désirées pour la tige finie, en

un acier à moyen carbone formable à froid, à micro-

structure à grain relativement gros, et on fait subir à cette ébauche un traitement thermique destiné à obtenir

les caractéristiques mécaniques désirées. On peut uti-

liser un acier ayant la composition suivante, en poids: Carbone 0,3 - 0O6 % Silicium 0,1 - 0,5 % Manganèse 0,9 - 2,0 % Soufre maximum 0,05 % Phosphore maximum 0,05 % Fer reste Dans l'exemple décrit, on a formé une tige de diamètre nominal 6,35 mm (un quart de pouce) en acier calmé au silicium, ayant la composition suivante, en poids: Carbone 0,41 % Silicium 0,26 % Manganèse 1,54 % Soufre 0,016 % Phosphore 0,016 % Fer reste La teneur en carbone de cet acier permet le

durcissement de celui-ci.

Le silicium est ajouté pour désoxyder l'acier pendant son élaboration. L'emploi de silicium comme

désoxydant, à la place d'aluminium par exemple est pre-

féré parce que l'acier résultant a tenu à donner un grain assez gros, ce qui a été trouvé désirable, alors que l'alu- minium tend à donner un grain plus fin, La teneur en manganèse provient du manganèse

ajouté comme désoxydant. Sa présence est désirable par-

ce qu'il augmente la possibilité de durcissement de l'acier.

Le soufre et le phosphore sont simplement tolérés comme impuretés, leur taux ne doit pas dépasser

sensiblement les maxima indiqués.

Pour fabriquer les tiges 10, on a utilisé du fil disponible dans le commerce, en acier ayant la composition indiquée ci-dessus, et traité pour le rendre

apte à la formation des tiges.

Ce fil a été préparé par laminage à chaud

de biellettes d'acier pour former des barres, qui subis-

sent un recuit de sphéroldisation, l'acier étant rendu apte à subir la formage à froid, et la grosseur du grain

austénitique étant optimisée.

Le recuit est de préférence opéré en atmos-

phère contrôlée pour empêcher le calaminage et l'abais-

sement du carbone de l'acier, et éviter la nécessité d'un décalaminage ultérieur. Il peut cependanty avoir un décalaminage si des calamines sont apparues pendant le recuit.

On préfère que la grosseur du grain austé-

nitique soit comprise entre celle qui sont définies par les normes ASTM 3 et ASTM 7. Si le grain est plus gros que ASTM 3, il est trop gros pour être travaillé par des procédés classiques de formage et laminage à froid, et si le grain est plus fin que ASTM 7, les propriétés

mécaniques de la tige terminée sont abaissées.

Le revenu est opéré à une température et pendant un temps appropriés pour procurer la grosseur désirée de

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grain austénitique, et, après un refroidissement lent, l'acier est formé de colonies de perlite à gros grain avec une faible proportion de ferrite intercalée entre

les colonies.

Les barres revenues,décalaminées si nécessaires

sont étirées pour donner des fils de diamètre conve-

nable, 6,33 mm pour les tiges du présent exemple, et le fil est ensuite traité par formage à froid pour former les

ébauches Le fil est ainsi coupé en longueurs convena-

bles, chaque tronçon étant ensuite mis en forme à froid pour constituer la tête élargie radialement 16 à une des extrémités du corps cylindrique. L'ébauche

est alors roulée entre des matrices de profilage tour-

nantes disposées dans un plan, pour créer une série de gorges combinées 22 sur la longueur du corps, ainsi que le chanfrein 20 à l'extrémité du corps qui est opposée à la tête, et en laissant la petite partie 16 qui est adjacente à la tête avec une surface cylindrique

lisse, formant ainsi une "tige brute".

Les opérations de formage à froid altèrent

inévitablement la grosseur du grain et les caractéris-

tiques mécaniques du fil initial. On fait done subir à la tige brute un traitement thermique pour donner à l'acier les caractéristiques mécaniques désirées, et obtenir ainsi la tige terminée* En conséquence, dans une première étape du

traitement thermique, la tige brute est chauffée à une tem-

pérature supérieure à celle du point Ac3, dans un four à haute température, pour austénitiser complètement l'acier et développer une microstructure à gros grain. Par "gros grain", on entend ici un grain supérieur à celui

qui est défini par ASTM 7.

L'acier devient complètement austénitique à

8300C environ, mais pour être s3r que la température con-

venable est bien atteinte et que le grain augmente con-

venablement de grosseur, on chauffe les tiges brutes

en dépassant la valeur ci-dessus d'une petite quantité.

On considère que 850 C est un minimum, mais que la tempé-

rature peut être montée jusqu'à 9500C. Pour éviter un abaissement de la teneur en carbone de l'acier pendant la première étape du traitement thermique, ce qui

aurait pour conséquence une perte d'aptitude en durcis-

sement, particulièrement à la surface et près de celle-

ci, cette première étape est effectuée dans une atmos-

phère régénérant le carbone, qui est contrôlée pour maintenir la teneur en carbone de la tige à un niveau

qui ne soit pas sensiblement inférieur à la teneur nomi-

nale de l'acier qui a fourni le fil initial, ou pour relever la teneur à ce niveau. Ainsi, avec une atmosphère endothermique d'air et de méthane naturel servant de milieu de carburation dans le four, on peut obtenir un potentiel carbone à la surface de la tige de 0,40 à 0,70 % en maintenant le point de rosée de l'atmosphère

du four entre -4 0C et +1 C0.

La durée du traitement à haute température de la première étape du traitement thermique peut être

d'environ trois quarts d'heure à une heure.

Dans le présent exemple, l'ébauche a été chauffée à 88000 C et maintenue une heure à cette température tout en maintenant une atmosphère régénérant le carbone, avec un point de rosée de -1 C à +4 C, le potentiel carbone étant ainsi maintenu à 0,6 % environ à la surface de l'ébauche. A la fin de la période de chauffage de la première étape, les ébauches sont refroidies rapidement à partir de la haute température, à une vitesse supérieure à la vitesse critique, pour convertir l'austénite en

martensite. On préfère tremper les ébauches en les plon-

geant, à leur température d'austénitisation, dans l'huile.

On a trouvé que les milieux aqueux étaient trop éner-

giques, et tendaient à produire des fissures ou des déformations de l'ébauche, alors qu'une trempe à l'air n'est pas assez rapide pour empocher la formation de

quantités appréciables de perlite et de ferrite.

Après la trempe, les ébauches martensitiques

sont réchauffées à une température aussi proche que pra-

tiquement possible de la température critique Al sans cependant attendre ni dépasser cette température, puis

refroidies à l'air, de façon à recuire l'acier marten-

sitique en convertissant la martensite en sorbite secondaire. Dans les traitements classiques comprenant un recuit de l'acier, il n'est pas normal de faire celui-ci à des températures dépassant 65000, mais il a été découvert qu'un recuit à haute temperature est approprié pour développer les caractéristiques mécaniques

désirées pour une tige de dispositif de fixation mul-

tiprise. Ainsi, pour recuire l'ébauche martensitique, on la chauffe à une température qui s'approche à moins de C0, et de préférence à moins de 2000, du point critique A1. On maintient cette température pendant une heure,

après quoi la tige est refroidie à l'air.

La tige terminée ainsi obtenue a une microstruc-

ture partout homogène et est essentiellement formée de martensite ayant subi un revenu sorbitique. En raison de la précaution qu'on a prise de chauffer les ébauches en atmosphère carburante ce qui évite un abaissement de la teneur en carbone à la surface, les tiges terminées ne contiennent pas de proportions sensibles de ferrite à la surface, comme cela aurait été le cas si la teneur en carbone y avait été abaissée, et la surface de la tige

est aussi dure que le coeur.

La structure finement cristalline de la mar-

tensite sorbitique fait que la taille des grains dérivés

de l'état austénitique antérieur n'est pas visible.Cepen-

dant, on a découvert que, si on contrôle la grosseur du grain austénitique antérieur pour la maintenir entre AST4 3 et ASTM 6, la tige terminée réalise un compromis entre la fragilité, la ténacité, la ductilité et la résistance

au choc qui convient au but visé.

On trempe l'ébauche alors qu'elle est à sa température d'austénitisation, plutot que de la laisser refroidir au-dessous du point A3, ce qui permettrait

à une partie de l'austénite de se transformer en un mé-

lange de perlite et ferrite. La conséquence de cette manière de faire est que la microstructure de l'ébauche devient essentiellement formée exclusivement de martenT site, finement cristalline et homogène partout, et aussi

très dure.

L'étape suivante de recuit, effectuée à une

température proche de Ac1 maintient la dureté sans aucu-

15. nement altérer l'homogénéité de la microstructure finement cristalline, et, par conséquent, la tige terminée a une bonne résistance au choc et une température de transition relativement basse, si bien qu'elle ne se fragilise

pas par temps froid.

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Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'une tige pour un

dispositif de fixation du type comprenant un organe tubu-

laire déformable (12) et une tige (10) présentant une série

de gorges annulaires (22) à l'intérieur desquelles la ma-

tière de l'organe tubulaire peut être repoussée, au moins une des gorges constituant un collet de rupture o la tige se rompt quand elle est soumise à une traction de force prédéterminée, ce procédé comportant les étapes suivantes: a) préparer par formage à froid une ébauche ayant la forme désirée pour ladite tige, en acier à moyen carbone ayant subi un revenu de sphéroidisation et présentant une microstructure à gros grain, b) chauffer l'ébauche sous atmosphère régénérant

le carbone, jusqu'à une température dépassant la tempé-

rature critique A3 de l'acier pendant une durée suffi-

sante pour que l'acier de l'ébauche devienne compléte-

ment austénitique avec une microstructure essentiellement homogène et à gros grain, puis c) refroidir l'ébauche austénitique,

et étant caractérisé en ce que l'étape c) de refroidis-

sement de l'ébauche austénitique est une trempe opérée de façon à convertir l'austénite en martensite, et il est prévu ensuite une étape d) consistant à faire

subir à l'ébauche martensitique un recuit pour transfor-

mer la martensite en sorbite.

2. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que la température à laquelle l'ébauche est chauffée pour rendre l'acier austénitique

dépasse la température critique A3 de 50 à 150 00.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ébauche austénitique est trempée

à l'huile.

4. Procédé selon l'une des revendications 1

à 3, caractérisé en ce que l'ébauche martensitique subit

ledit recuit à une température ne dépassant pas la tem-

pérature critique A1 mais en approchant aussi près qu'il

est possible.

5. Procédé selon l'une des revendications 1

à 3, caractérisé en ce que l'ébauche martensitique subit ledit recuit à une température supérieure à 65000 C.

6. Procédé selon liune des revendications 1

à 5, caractérisé en ce que l'ébauche est maintenue à la température d'austénisation pendant une durée de 30 à

minutes.

7. Procédé selon l'une des revendications 1

à 6, caractérisé en ce que l'acier est un acier calmé

au silicium.

8. Procédé selon l'une des revendications 1

à 7, caractérisé en ce que l'acier a une teneur en car-

bone initiale de 0,3 à 0,6 % en poids.

9. Procédé selon l'une des revendications 1

à 8, caractérisé en ce que l'atmosphère régénérant le

carbone produit un potentiel carbone suffisant pour main-

tenir la teneur en carbone à la surface de l'ébauche à une valeur qui n'est pas inférieure à celle de l'acier

avant le chauffage de l'ébauche.

10. Procédé selon l'une des revendications 1

à 8, caractérisé en ce que l'atmosphère régénérant le carbone produit un potentiel carbone d'environ 0,4 à

environ 0,7 % sur la surface ou près de celle-ci.

11. Procédé selon l'une des revendications 1

à 10, caractérisé en ce que l'atmosphère régénérant le carbone a un point de rosée dans la gamme de -40 C

à +100.

12. Tige pour dispositif de fixation du type comprenant un organe tubulaire déformable (12) et une tige (10) présentant une série de gorges annulaires (22)

à l'intérieur desquelles la matière de l'organe tubu-

laire peut être repoussée, au moins une des gorges constituant un collet de rupture o la tige se rompt quand elle est soumise à une traction de force prédéterminée, caractérisée en ce que le corps (14) de la tige a une microstructure essentiellement homogène et consistant essentiellement uniquement en martensite ayant subi un recuit sorbitiquee

13. Tige selon la revendication 129 caract'-

risée en ce que l'acier de la tige a un grain austéni-

tique antérieur dans la gamme de ASTM 3 à ASTM 7,