FR3029438B1 - Procede de fabrication de grenailles comportant un traitement thermochimique d'enrichissement superficiel des grenailles en carbone - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication de grenailles comprenant : - une étape de façonnage de billes d'acier par coulage et atomisation d'un acier, ledit acier présentant une composition initiale comprenant entre 0.08 et 0.25 % en masse de carbone ; - une étape de traitement des billes d'acier lors de laquelle on soumet les billes d'acier à un traitement thermochimique d'enrichissement superficiel en carbone. L'invention concerne également une grenaille obtenue selon un tel procédé de fabrication et l'utilisation d'une telle grenaille pour le grenaillage de précontrainte .

Description

Domaine technique L’invention se rapporte au domaine du grenaillage. L’invention concerne plus particulièrement un procédé de fabrication de billes d’acier, appelées grenailles, qui sont destinées à être projetées contre une surface afin de la traiter ainsi que les grenailles obtenues par un tel procédé.

De telles grenailles peuvent être utilisées dans de nombreuses applications telles que le nettoyage, la préparation ou la modification des propriétés mécaniques d’une surface. L’invention est particulièrement avantageuse pour la fabrication des grenailles utilisées pour des procédés de traitement de surface visant à modifier les propriétés mécaniques de la surface, de type grenaillage de pré-contrainte ou « shot peenïng » en langue anglaise.

Arrière-plan technologique

Dans l’état de la technique, deux technologies de fabrication de grenailles d’acier pour le grenaillage sont couramment utilisées : les procédés de fabrication par coulage et atomisation d’acier et les procédés de fabrication par coupage de fil d’acier.

Dans les procédés d’atomisation, l’acier est porté à l’état liquide puis coulé sous la forme d’un jet qui est dispersé par le mouvement d’un jet gazeux, liquide ou par l’action d’un disque tournant. L’acier ainsi dispersé prend alors la forme d’une sphère sous l’effet de la tension de surface du métal liquide, avant de se solidifier. Les billes d’acier ainsi réalisées subissent alors une trempe de sorte à homogénéiser et à affiner leur microstructure, suivi d’un revenu permettant d’obtenir la dureté visée. Toutefois, si les procédés d’atomisation sont relativement faciles à mettre en œuvre, les grenailles obtenues par ce procédé présentent une durée de vie limitée. Résumé

Une idée à la base de l’invention est donc de proposer un procédé de fabrication de grenailles qui soit facile à mettre en œuvre, économique et permette d’obtenir des grenailles présentant une durée de vie importante.

Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un procédé de fabrication de grenailles comprenant : une étape de façonnage de billes d’acier par coulage et atomisation d’un acier, ledit acier présentant une composition initiale comprenant entre 0.08 et 0.25 % en masse de carbone ; une étape de traitement des billes d’acier lors de laquelle on soumet les billes d’acier à un traitement thermochimique d’enrichissement superficiel en carbone.

Un tel traitement thermochimique d’enrichissement en carbone de la surface des grenailles permet d’augmenter la dureté de surface des grenailles de sorte à améliorer leur efficacité tout en conservant une faible dureté à cœur de sorte à assurer une ténacité et une résistance à l’impact des grenailles. Aussi, de telles grenailles présentent une durée de vie supérieure aux grenailles selon l’art antérieur.

En outre, en améliorant l’efficacité intrinsèque des grenailles, il est possible de diminuer la vitesse de projection des grenailles et/ou le nombre de cycle de projection tout en maintenant une efficacité de grenaillage équivalente. Aussi, pour une efficacité de grenaillage constante, la consommation de grenailles peut encore être davantage diminuée tout en permettant une baisse de la consommation énergétique des procédés de grenaillage.

De plus, les grenailles sont obtenues par la technologie de coulage et d’atomisation d’acier et peuvent donc être produites facilement, à moindre coût.

Enfin, il a été constaté qu’un acier présentant une quantité de carbone comprise entre 0.08 % et 0.25 % est particulièrement adapté pour un procédé de fabrication de grenailles combinant atomisation et enrichissement superficiel en carbone. En effet, une telle quantité de carbone est, d'une part, suffisamment faible pour permettre d'obtenir, par un enrichissement superficiel en carbone, des grenailles présentant un compromis satisfaisant entre faible dureté à cœur et forte dureté de surface et, d'autre part, suffisamment importante pour obtenir une sphéricité des grenailles satisfaisante par un procédé d'atomisation.

Selon des modes de réalisation, un tel procédé de fabrication peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : le traitement thermochimique d’enrichissement en carbone est un traitement de carbonitruration. Un tel traitement thermique est particulièrement avantageux en ce qu’il combine les avantages des procédés de cémentation et de nitruration en enrichissant la surface des billes en carbone et en azote. En outre, le traitement de carbonitruration est mis en œuvre à des températures plus basses qu’un traitement de cémentation et permet ainsi d’obtenir une augmentation de dureté sur de relativement faibles épaisseurs. le traitement de carbonitruration est un traitement en phase gazeuse, les billes d’acier étant disposées dans un four placé sous une atmosphère gazeuse obtenue par injection d’un mélange méthanol-azote, d’un hydrocarbure choisi parmi le méthane et le propane et d’ammoniac. le traitement de carbonitruration est réalisé à une température comprise entre 800 et 950°C, de préférence entre 825 et 900°C. l’on contrôle la durée de l’étape de carbonitruration ainsi que la composition de l’atmosphère gazeuse afin d’obtenir des billes d’acier présentant une dureté de surface, mesurée à 20 pm de profondeur, comprise entre 700 et 780 Hk, et une dureté à cœur comprise entre 460 et 530 Hv. Il a, en effet, été constaté, que de telles billes d’acier permettaient d’atteindre des durées de vie optimales pour des applications de grenaillage de pré-contrainte. - de préférence, la durée de l’étape de carbonitruration ainsi que la composition de l’atmosphère gazeuse sont contrôlées afin d’obtenir des billes d’acier présentant une dureté de surface, mesurée à 20 pm de profondeur, comprise entre 720 et 760 Hk, plus préférentiellement de l’ordre de 740 Hk, et une dureté à cœur comprise entre 460 et 500 Hv, plus préférentiellement de l’ordre de 480 Hv. le traitement thermochimique d’enrichissement superficiel en carbone comporte une trempe. la trempe est une trempe à l’eau. la composition initiale de l’acier comporte entre 0.7 et 1.5 %, de préférence entre 0.7 et 1 %, en masse de manganèse. D’une part, le manganèse participe à l’effet durcissant du traitement thermochimique par la formation de carbures et de nitrures de manganèse. D’autre part, le manganèse a un effet négatif sur la sphéricité des billes obtenues par coulage et atomisation d’acier. Aussi, il a été constaté que des plages de proportion de manganèse dans l’acier telles que mentionnées ci-dessus sont particulièrement avantageuses, notamment en ce qu’elles permettent d’obtenir une durée de vie des grenailles optimale. la composition initiale de l’acier comporte entre 0.10 et 1 %, de préférence entre 0.30 et 0.50 %, en masse de silicium. De telles proportions de silicium sont particulièrement adaptées pour un procédé de fabrication de grenailles combinant atomisation et enrichissement superficiel en carbone. En effet, une telle proportion de silicium est, d’une part, suffisamment faible pour limiter l’oxydation interne des grenailles lors du traitement d’enrichissement superficiel et, d’autre part, suffisamment forte pour influencer de manière favorable la densité apparente des grenailles. la composition initiale de l’acier comporte une teneur en éléments résiduels n’appartenant pas au groupe constitué du fer, du carbone, du manganèse et du silicium qui est inférieure à 1 %. En particulier, l’acier ne comporte pas ou très peu de chrome, de vanadium ou de molybdène. En effet, de tels éléments s’avèrent coûteux et n’apportent pas d’avantage particulier au procédé de fabrication de grenailles.

Selon un mode de réalisation, l’invention fournit aussi une grenaille obtenue selon un procédé de fabrication tel que mentionné ci-dessus et l’utilisation d’une telle grenaille pour le grenaillage de pré-contrainte.

Brève description des figures L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux tableaux et aux figures annexées. • La figure 1 est une courbe illustrant la dureté Vickers Hv 0.1 moyenne des échantillons du tableau 1 en fonction de leur profondeur. • La figure 2 est une courbe illustrant l’influence de la dureté de surface, mesurée à 20 pm, d’une grenaille sur sa durée de vie en nombre d’impacts, la vitesse d’impact étant de 60 m/s. • La figure 3 est une courbe illustrant l’influence de la dureté à cœur d’une grenaille sur sa durée de vie en nombre d’impacts, la vitesse d’impact étant de 60 m/s. • La figure 4 illustre l’efficacité de grenaillage en fonction de la vitesse de projection pour d’une part, des grenailles de précontrainte selon l’art antérieur présentant une dureté de surface de 640 Hv et pour, d’autre part, des grenailles ayant subies un traitement de carbonitruration et présentant une dureté de surface de 740 Hk. • La figure 5 est une courbe, réalisée sur la base des données du tableau 2, et illustrant l’influence de la proportion de manganèse dans la composition initiale de l’acier sur la sphéricité des billes obtenues par un procédé de coulage et d’atomisation d’acier. • La figure 6 est une courbe, réalisée sur la base des données du tableau 2, et illustrant l’influence de la proportion de silicium dans la composition initiale de l’acier sur la densité apparente des billes obtenues par un procédé de coulage et d’atomisation d’acier. • Le tableau 1 illustre la dureté en fonction de la profondeur de trois grenailles présentant un diamètre de 0.7 mm et ayant subies un traitement de carbonitruration en phase gazeuse, la dureté de surface mesurée à 20 pm étant une dureté Knoop Hk 0.1 et la dureté mesurée entre 50 et 400 pm une dureté Vickers Hv 0.1. La dernière colonne du tableau 1 présente le profil de dureté Vickers Hv 0.1 moyen des trois échantillons, déterminé en convertissant la dureté Knoop de surface en dureté Vickers conformément au tableau de conversion défini dans la norme ASTM E40. • Le tableau 2 illustre le coefficient de sphéricité et la densité apparente de billes, présentant un diamètre compris entre 0.85 et 1 millimètre, obtenues par un procédé de coulage et atomisation d’acier pour différentes nuances d’acier. • Le tableau 3 illustre une comparaison de la consommation et de l’intensité de grenaillage pour des grenailles selon l’art antérieur et des grenailles selon l’invention, projetées à 80 m/s et à 60 m/s.

Description détaillée de modes de réalisation

Nous décrirons ci-dessous un procédé de fabrication de grenailles selon un mode de réalisation.

Dans un premier temps, le procédé de fabrication de grenailles comporte une étape de façonnage de billes d’acier par coulage et atomisation d’acier. Pour ce faire, de l’acier est porté à l’état liquide dans un four, tel qu‘un four à arc électrique, puis coulé sous la forme d’un jet calibré. Le jet calibré est ensuite atomisé, par un jet gazeux, liquide ou par l’action d’un disque tournant, afin d’obtenir des particules sensiblement sphériques ou billes. Le métal liquide est, par exemple, atomisé par un jet d’eau. A titre d’exemple, le procédé d’atomisation peut notamment être mis en œuvre en chauffant l’acier à une température de 1650 à 1750 °C puis en le coulant à un débit compris entre 400 et 800 kg/mn. Le jet d’eau permettant d’atomiser le liquide est quant à lui propulsé à une pression de 1 à 3 bars, à un débit compris entre 150 et 600 m3/h.

Les billes sont ensuite calibrées par tamisage et classées par granulométrie.

La composition initiale de l’acier est la suivante : - entre 0.08 et 0.25% en masse de carbone ; - entre 0.7 et 1.5 %, préférentiellement entre 0.7 et 1 %, en masse de manganèse ; - entre 0.10 et 1 %, de préférence entre 0.3 et 0.5 %, en masse de silicium ; et - du fer.

Il a été constaté qu’un acier présentant une composition comprise dans les plages susmentionnées était particulièrement adapté pour, d’une part, obtenir, lors du coulage et de l’atomisation des billes, un pourcentage de sphéricité des billes satisfaisant et, d’autre part, obtenir un compromis satisfaisant entre faible dureté à cœur et forte dureté de surface par un procédé de carbonitruration ou de cémentation.

Dans un mode de réalisation, l’acier est faiblement allié. En d’autres termes, à l’exception du carbone, du manganèse, du silicium et du fer, la teneur totale en éléments supplémentaires est résiduelle, c’est-à-dire inférieure à 1%.

Par la suite, les billes d’acier subissent un traitement thermochimique visant à enrichir en carbone leur surface. Le traitement thermochimique est choisi parmi les traitements de cémentation et de carbonitruration. Dans un mode de réalisation préféré, les billes d’acier sont soumises à un traitement de carbonitruration en phase gazeuse permettant d’enrichir la surface des billes d’acier en carbone et en azote.

Selon un mode de réalisation, le traitement de carbonitruration est mis en œuvre dans un four placé sous une atmosphère gazeuse contrôlée. L’atmosphère gazeuse est obtenue par injection d’un mélange de méthanol et d’azote, d’un hydrocarbure choisi, par exemple, parmi le méthane ou le propane et d’ammoniac qui a pour effet d’apporter l’azote par dissociation. Le four est porté à une température de 800 à 950 °C, de préférence entre 825 et 900 °C. A titre d’exemple, la durée du traitement de carbonitruration est de l’ordre de 80 minutes. Le traitement de carbonitruration est suivi d’une trempe permettant d’obtenir le durcissement de la couche enrichie par formation de martensite. L’opération de trempe est, par exemple, réalisée en plaçant les billes d’acier dont la surface a été carbonitrurée dans un flux d’eau froide.

La composition de l’atmosphère gazeuse, la durée du traitement de carbonitruration et les conditions de trempe dépendent notamment du matériel utilisé et de la composition initiale de l’acier. Ces paramètres sont adaptés afin d’obtenir des billes d’acier dont la dureté Knoop de surface, mesurée à 20 pm, est comprise entre 700 et 780 Hk 0.1 et une dureté Vickers à cœur comprise entre 460 et 530 Hv. Selon la norme ASTM E140, une dureté Knoop de surface comprise entre 700 et 780 Hk 0.1 correspond approximativement à une dureté Rockwell comprise entre 58.4 et 62.1 HRc et une dureté Vickers comprise entre 661 et 748 Hv.

La méthode de mesure de dureté Vickers est bien connue de l’homme du métier et définie dans la norme internationale et européenne EN ISO 6507-1. La méthode de mesure de dureté Knoop, également bien connue de l’homme du métier, est définie dans la norme internationale ISO 4545-1.

En référence au tableau 1 et à la figure 1, on observe la dureté Vickers Hv 0.1 de grenailles de diamètre 0.7 mm obtenues par un procédé de fabrication tel que décrit ci-dessus. Ces grenailles ont été obtenues à partir d’un acier dont la composition initiale est la suivante : 0.15% C - 0.35% Si - 0.8% Mn - 0.014% P -0.011% S. Ces grenailles ont subi un traitement thermochimique de carbonitruration de 80 minutes sous atmosphère gazeuse obtenue par injection d’un mélange méthanol-azote, d’un hydrocarbure choisi parmi le méthane et le propane et d’ammoniac.

On constate que l’épaisseur moyenne de la couche superficielle durcie, enrichie en carbone par le procédé de carbonitruration, est d’environ 200 microns (valeur CHD550hv déterminée conformément à la norme ISO 2639 et correspondant à la profondeur à laquelle la dureté atteint 550 Hv). La dureté moyenne de surface, mesurée à 20 pm, est de l’ordre de 751 Hk 0.1. La dureté à cœur est, quant à elle, de l’ordre de 509 Hv 0.1.

Les figures 2 et 3 illustrent l’évolution de la durée de vie, en nombre d’impacts, de grenailles, en fonction de leur dureté à cœur et de leur dureté de surface.

Les grenailles, dont la durée de vie a été testée, ont été réalisées par un procédé de fabrication tel que décrit ci-dessus, combinant coulage et atomisation d’acier suivi d’une carbonitruration. Les grenailles testées présentent une plage de diamètre de 0.71 à 1.18 mm (taille médiane 0.85 mm), et La composition initiale de l’acier est la suivante : 0.15% C - 0.35% Si - 0.8% Mn - 0.014% P - 0.011% S. Les tests ont été réalisés en projetant les grenailles à une vitesse de 80 m/s sur une surface métallique présentant une dureté Vickers de 700 Hv0.1

Sur la figure 2, la dureté mentionnée est une dureté Vickers Hv 0.1. Sur la figure 3, la dureté mentionnée est une dureté de type Knoop Hk 0.1 mesurée à 20 pm. Sur la figure 2, on constate qu’une dureté à cœur comprise entre 460 et 530 Hv0.1 permet d’obtenir une durée de vie des grenailles optimale.

Sur la figure 3, on constate que, à vitesse de projection identique, la durée de vie des grenailles diminue lorsque la dureté de surface augmente. Cette figure permet d’illustrer le préjugé de l’homme du métier selon lequel en augmentant la dureté de surface des grenailles, on tend à diminuer leur durée de vie.

La figure 4 représente l’intensité de grenaillage en fonction de la vitesse de projection des grenailles pour, d’une part, des grenailles selon l’invention obtenues par un procédé combinant coulage et atomisation d’acier et carbonitruration (courbe 1 ) et, d’autre part, des grenailles de précontrainte selon l’art antérieur (courbe 2). L’intensité de grenaillage est mesurée selon le test Almen normalisé. Les grenailles selon l’invention présentent ici une dureté de surface moyenne de 740 Hk0.1 (Knoop) et une dureté à cœur moyenne de l’ordre de 515Hv0.1, alors que les grenailles de précontraintes selon l’art antérieurprésentent une dureté de surface moyenne de 640 Hv0.1 (~ 600 Hk0.1 ).

La figure 4 démontre que, à iso intensité de grenaillage, il est possible de diminuer la vitesse de projection des grenailles dont la surface a subi un traitement de carbonitruration et présente donc une dureté plus importante. Aussi, pour obtenir une intensité Almen de grenaillage de F54A (selon la norme SAE J443) la vitesse des grenailles, selon l’invention, présentant une dureté de surface de 740 Hk est comprise entre 60 et 65 m/s alors que la vitesse de projection des grenailles de précontrainte classiques présentant une dureté de surface moyenne de 640 Hv est de 80 m/s. Aussi, le durcissement de la surface des grenailles permet de diminuer la vitesse de projection des grenailles, et ce faisant permet de réduire la consommation énergétique globale du procédé de grenaillage.

Le tableau 3 illustre le fait que les grenailles selon l’invention permettent d’obtenir des intensités de grenaillages identiques à celles des grenailles selon l’art antérieur, tout en diminuant, d’une part, la vitesse de projection et, d’autre part, la consommation de grenailles. On constate en effet que les grenailles selon l’invention permettent d’obtenir une intensité Almen à 60m/s de F54A et une consommation de 390 grammes par tonne de grenailles projetées alors que les grenailles selon l’art antérieur ne permettent d’obtenir une telle intensité qu’en étant projetées à une vitesse de 80 m/s pour une consommation d’environ 1200 grammes par tonne de grenailles projetées.

Il a été constaté que, pour des intensités de grenaillage caractéristiques du grenaillage de pré-contrainte, une consommation optimale de grenailles était obtenue pour des grenailles présentant une dureté de surface comprises entre 720 et 760 Hk, plus particulièrement de l’ordre de 740 Hk.

Le tableau 2 illustre la composition initiale en acier de vingt et un échantillons de grenailles obtenues selon l’invention. La composition en carbone de ces échantillons varie de 0.098 à 0.197 %, la composition en manganèse varie entre 0.559 et 1.495 % et la composition en silicium varie entre 0.285 et 0.475 %

Le tableau 2 et la figure 5 permettent d’illustrer l’influence du manganèse sur le coefficient de sphéricité des grenailles obtenues par coulage et atomisation d’acier. Il a été constaté que le coefficient de sphéricité de la portion de grenailles présentant un diamètre compris entre 0.85 et 1 millimètre diminue lorsque la quantité de manganèse augmente.

Par ailleurs, le tableau 2 et la figure 6 permettent d’illustrer la densité apparente des grenailles en fonction de la composition en silicium de l’acier initial. On observe ainsi que, en augmentant la composition en silicium de l’acier, la densité apparente et par conséquent l’efficacité des grenailles augmentent.

Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. L’usage du verbe « comporter», « comprendre » ou « inclure » et de ses formes conjuguées n’exclut pas la présence d’autres éléments ou d’autres étapes que ceux énoncés dans une revendication. L’usage de l’article indéfini « un » ou « une » pour un élément ou une étape n’exclut pas, sauf mention contraire, la présence d’une pluralité de tels éléments ou étapes.

Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication.

TABLEAU 1

TABLEAU 2

TABLEAU 3

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de fabrication de grenailles comprenant : - une étape de façonnage de billes d’acier par coulage et atomisation d’un acier, ledit acier présentant une composition initiale comprenant entre 0.08 et 0.25 % en masse de carbone ; - une étape de traitement des billes d’acier lors de laquelle on soumet les billes d’acier à un traitement thermochimique d’enrichissement superficiel en carbone.
2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel le traitement thermochimique d’enrichissement en carbone est un traitement de carbonitruration.
3. 3. Procédé de fabrication selon la revendication 2, dans lequel le traitement de carbonitruration est un traitement en phase gazeuse, les billes d’acier étant disposées dans un four placé sous une atmosphère gazeuse obtenue par injection d’un mélange méthanol-azote, d’un hydrocarbure choisi parmi le méthane et le propane et d’ammoniac.
4. 4. Procédé de fabrication selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le traitement de carbonitruration est réalisé à une température comprise entre 800 et 950°C.
5. 5. Procédé de fabrication selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l’on contrôle la durée de l’étape de carbonitruration ainsi que la composition de l’atmosphère gazeuse afin d’obtenir des billes d’acier présentant une dureté de surface, mesurée à 20 pm de profondeur selon la norme ISO 4545-1, comprise entre 700 et 780 Hk et une dureté à cœur mesurée selon la norme ISO 6507-1 comprise entre 460 et 530 Hv.
6. 6. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le traitement thermochimique d’enrichissement superficiel en carbone comporte une trempe.
7. 7. Procédé de fabrication de grenailles selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la composition initiale de l’acier comporte entre 0.7 et 1.5 %, de préférence entre 0.7 et 1 %, en masse de manganèse.
8. 8. Procédé de fabrication de grenailles selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la composition initiale de l’acier comporte entre 0.10 et 1 % , de préférence entre 0.30 et 0.50 %, en masse de silicium.
9. 9. Procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la composition initiale de l’acier comporte une teneur en éléments résiduels n’appartenant pas au groupe constitué du fer, du carbone, du manganèse et du silicium qui est inférieure à 1 %.
10. 10. Grenaille obtenue selon un procédé de fabrication selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
11. 11. Utilisation d’une grenaille selon la revendication 10 pour le grenaillage de précontrainte.