LU83825A1 - Procede ameliore de traitement thermique des aciers utilisant un chauffage electrique direct par resistance et produits en acier obtenus par ce procede - Google Patents

Description

*

Procédé amélioré de traitement thermique des aciers utilisant un chauffage électrique direct par résistance et produits en acier obtenus par ce procédé.

La présente invention concerne un procédé amélioré 5 de traitement thermique des aciers utilisant un chauffage électrique direct par résistance.

Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé d'austénitisation, de trempe et de revenu des aciers pour améliorer la résistance mécanique et la ténacité.

10 L'austénitisation, la trempe et le revenu consti tuent un traitement thermique bien connu des aciers. On utilise principalement ce traitement pour renforcer la résistance mécanique et la ténacité des aciers afin de pouvoir les utiliser pour des pièces soumises à des efforts impôr-*" 15 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 suffisante pour que la totalité de la charge du four soit entiè-20 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 autre milieu approprié pour qu'une structure essentiellement martensitique se forme dans l'acier. Souvent, pendant le 25 stade de trempe, il se forme des criques dans l'acier par suite de la transformation et des contraintes thermiques • * * 2 produites par la trempe. Ce phénomène est appelé "criquage par trempe". Le criquage par trempe est donc un effet indésirable du traitement thermique classique car il est par nature imprévisible et coûteux. Pour réduire le criquage par 5 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 empêche * d'atteindre le potentiel de durcissement total d'un alliage donné. Malgré cette précaution, le criquage par trempe 10 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 entrait -15 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-20 1er 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 25 et fragile pour être commercialisé. On doit donc le faire revenir pour obtenir un produit ayant la combinaison dési-•i rée des propriétés mécaniques. On effectue généralement le revenu dans de gros fours que l'on maintient à des tempéra-c tures inférieures à la température A^. On charge les piè- 30 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 propriétés mécaniques désirées de la pièce travaillée finie. En 35 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 température de revenu s'élève.

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Lorsque l'acier a été austénitisê, trempé et revenu selon les techniques classiques, on doit de plus le traiter pour éliminer,les effets indésirables du traitement thermique tels que : l'oxyde qui s'est formé sur la surface de 5 l'acier, la 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 ’ 10 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 15 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 20 une couche d'oxyde sur l'acier. Cette couche d'oxyde est généralement très dure et abrasive et on doit 1'éliminer de l'acier avant d'effectuer les stades de mise en oeuvre ultérieurs. On peut éliminer la couche d'oxyde mécaniquement ou chimiquement mais, dans les deux cas, 1'élimination en-25 traîne une dépense additionnelle. On peut utiliser une atmosphère protectrice pour éviter le problème de la forma-* tion d'une couche d'oxyde, mais le coût des atmosphères protectrices est élevé---- ' Enfin, on doit corriger toute distorsion par trempe 30 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 35 pièces à la taille finale désirée pour compenser la distorsion 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, 4 * 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.

5 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-10 ble un moyen plus efficace pour chauffer l'acier. De plus, le chauffage au four s'effectue par rayonnement, conduction 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 15 cycle de chauffage donné. Ces cycles longs sont en soi désavantageux, car les températures élevées utilisées nécessitent l'emploi d'une atmosphère non oxydante connue (par exemple une atmosphère protectrice ou le vide), ce qui entraîne une dépense énergétique additionnelle. Sinon, on peut 20 laisser les pièces à travailler s'oxyder pendant le traitement, 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-25 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 r nettement de celle de la partie centrale de la charge. Par 30 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 35 d'austénitisation ou de revenu du traitement thermique.

Cette absence de régulation contribue à la mauvaise uniformité du produit.

On a proposé, comme décrit dans les brevets US

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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 5 rapide des pièces à travailler en acier avec des rendements élevés et un chauffage uniforme de la totalité de la section 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 1'obtention d'un produit très ’ 10 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 15 par chauffage électrique direct par résistance à une température supérieure à la température et on le trempe pour obtenir une microstructure ayant des propriétés particulières. Cette microstructure est constituée d'un mélange de ferrite proeutectoïde aciculaire et d'agrégats finement 20 divisés de ferrite et de carbure de fer. Ce procédé évite d1 avoir à tremper 1'acier pour former une structure totalement martensitique.

L'invention a pour objets : - un procédé amélioré pour l'austénitisation, la 2b 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 dëcarburation notable de 30 l'acier pendant le traitement thermique et réduit au minimum la quantité d'oxyde qui se forme à la surface de l'acier, tout en permettant d'obtenir le potentiel de durcissement total de l'acier ; et -des aciers ayant un degré élevé d'uniformité 35 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.

6 ft L'invention est illustrée par les dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est un schéma de l'appareillage utili'së pour le traitement thermique de pièces à travailler allon-5 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 comparer le traitement thermique selon les principes de l'invention et un traitement thermique classique ; 10 la figure3& 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 15 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 20 d'une des pièces à travailler illustrée par la figure 3B avec un grossissement de 4X ; la figure 5A est une photographie montrant des pièces à travailler d'acier 6150 traitées au four après la * trempe ; 25 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 30 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 4X ? la figure 7 est un graphique de la résistance à la 35 traction et de l'allongement en fonction de la température 7 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 ; 5 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 ; 10 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 15 pièces à travailler longues, après la trempe, illustrant la forte distorsion par trempe ; la figure 10B 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.

20 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 ; 25 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 30 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 1'invention résident dans la dé-.

35 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 8 peut pratiquement éliminer le criquage par trempe lorsqu'on utilise une austénitisation rapide. De plus, une austénitisation rapide par chauffage électrique direct par résistance s'est révélée réduire fortement la distorsion par trempe.

5 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 10 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 rapide à une température supérieure à la température A^ de 15 l'acier pour transformer l'acier en austênite. Ensuite, on trempe rapidement la pièce à travailler en acier dans un milieu de trempe liquide pour transformer 1'austênite ainsi formée en une microstructure essentiellement martensitique. Sous cette forme, la pièce à travailler présente des con-20 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 A-^ de l'acier, pour que l'acier soit transformé en une structure martensitique revenue.

25 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 criquage par trempe, car pendant le cycle bref d'austénitisation, les éléments de fragilisation ne disposent pas d'un 30 temps suffisant pour diffuser vers les joints des grains d'austênite 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 traitements classiques d'austénitisation au four, la charge du 35 four est exposée à des températures supérieures à la température A^ pendant des durées prolongées pour que la totalité de la charge du four atteigne la température appropriée avant la trempe. Par conséquent, les divers éléments 5 9 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 fragilisation connus, tels que le soufre, le phosphore, l'étain et 5 l'antimoine, s'isolent sur les joints des grains d'austénite 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 = 10 agir sur le criquage par trempe.

Le chauffage électrique direct par résistance permet de chauffer très rapidement l'acier et le temps de séjour au-dessus de la température est insuffisant pour permettre une ségrégation importante sur les joints de 15 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 direct par résistance permette de réduire la distorsion des pièces à travailler qui se produit par suite du traitement 20 thermique classique. Lorsqu'on chauffe l'acier dans un four, le chauffage n'est pas uniforme car la chaleur doit pénétrer 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 25 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-30 quer une distorsion additionnelle. Par suite de ces phénomènes, Les pièces à travailler sont quelque peu déformées lorsqu'on les retire du four et lors de la trempe cette distorsion est accrue.

Lorsqu'on utilise le chauffage électrique direct 35 par résistance au lieu de chauffage au four, on peut réduire 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 10 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 5 chauffage électrique direct par résistance est uniforme sur la section et sur la longueur de la pièce à travailler. Par conséquent, les contraintes thermiques sont faibles et la . s distorsion due aux contraintes thermiques est éliminée.

Comme la pièce à travailler austénitisée est introduite 10 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 réduire au minimum la distorsion qui se produit lors de l'austénitisation et de la trempe des pièces à travailler en 15 acier.

Un autre avantage de l'emploi du chauffage électrique 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 20 revenu. On a découvert que l'importance 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 25 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.

30 En plus de l'élimination de beaucoup des problèmes associés au traitement thermique classique, l'invention améliore la qualité de l'acier ayant subi le traitement thermique. Des essais ont montré que les produits obtenus selon les principes de l'invention ont une meilleure uniformité 35 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.

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Dans la pratique préférée de l'invention, l'acier 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 5 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-" 10 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-15 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 20 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 travailler pour transformer l'acier en austénite, la durée pendant 25 laquelle l'acier est maintenu au-dessus de la température A^ devant être inférieure à 5 minutes. Dans la pratique préférée 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-30 condes, la durée pendant laquelle l'acier est au-dessus de la température A^ étant généralement inférieure à 40 secondes .

Selon la pratique de l'invention, on charge tout d'abord la pièce à travailler en acier dans des contacts 35 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- 14 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, comme pré-5 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-10 plète serait de plusieurs heures. On peut austénitiser totalement 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-température pour l'austénitisation de l'acier résulte directe-15 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, 20 on la retire du poste de chauffage et on la charge immédiatement dans un appareil de trempe. Elle est rapidement refroidie 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 pièce trempée sur une 25 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 30 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 35 des coefficients H supérieurs à 1,0, selon le degré d'agitation. 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 « 15 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.

5 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'opë-* ration de revenu, on charge individuellement les pièces à travailler dans le poste de chauffage, on les maintient sous 10 tension (à une tension inférieure ä la limite élastique de l'acier) et on les chauffe â une température de revenu appropriée. La combinaison du chauffage et de la tension provoque le dressage de la pièce à travailler. La figure 1 est un schéma de l'appareillage utilisé pour le traitement se-15 Ion 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 20 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.

25 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 30 chauffage rapide pour austénitiser l'acier, les divers éléments disposent de très peu de temps pour diffuser vers les joints des grains d'austénite. Par conséquent, la résistance mécanique des joints des grains d'austénite demeure élevée et l'acier résiste au criquage lors de la trempe. Ce 35 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 16 la trempe, lorsqu'on opère selon le nouveau procédé, est inférieure 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 pie- t 5 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 emploi d'une atmosphère protectrice, mais la formation d'une atmosphère protectrice est coûteuse. Le présent procédé * 10 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 protectrice .

15 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 20 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 dëcarburer la 25 surface de la pièce à travailler. Par conséquent, la surface 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 30 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 conditions données. Comme précédemment expliqué, le criquage 35 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 généralement un milieu de trempe moins vivace. L'emploi d'une trempe 17 * moins vivave a pour inconvénient de ne pas permettre d'atteindre le potèntiel 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 5 vivace et réaliser le potentiel de durcissement total d'un alliage donné.

Une autre caractéristique bénéfique de l'invention i est associée à la diminution de la distorsion par trempe lors du stade de revenu du traitement. Cet aspect du traite-* 10 ment a été précédemment indiqué, et il semble que le phéno mène de dressage au revenu soit provoqué par la redistribution 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 15 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 20 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 travailler. En pratique, des études ont montré que l'inven-25 tion a un rendement de 70 à 90 % par rapport à un rendëment 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 30 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 35 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 18 également découvert que l'acier produit selon les principes de l'invention a une uniformité supérieure à celle de l'acier traité selon les techniques classiques. On a également noté des améliorations de la ductilité, de la ténacité 5 et de la résistance à la fatigue.

L'invention est illustrée par les exemples non limitatifs suivants.

ä EXEMPLE 1

Cet exemple établit une comparaison approfondie du * 10 traitement au four classique et du traitement thermique selon les principes de l'invention. Dans cet exemple, pour montrer que les principes de l'invention suppriment pratiquement le criquage par trempe, on soumet des barres à une austénitisation puis à une trempe, sans effectuer de stade 15 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 20 aciers ayant des teneurs en carbone supérieures à 0,40 % ont tendance au criquage par trempe. Cette coulée contient 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 25 les risques de criquage par trempe. Ces additifs forment des inclusions dans l'acier et les inclusions agissent ' comme des points d'amorçage des criques de trempe. Pour cet essai comparatif, on utilise les dispositifs illustrés par la figure 2.

30 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 éliminer les oxydes formés sur l'acier lors du laminage à chaud. On a prélevé au hasard dix barres laminées à chaud et on 35 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 0 19 four et l'autre au traitement selon les principes de l'invention.

Les échantillons destinés au traitement au four ont été chauffés dans le four de laboratoire à une température 5 de 843°C. 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-* Ion a été trempé individuellement dans de l'eau agitée.

Aucun additif n'a été utilisé dans le bain de trempe et la 10 témpérature du bain était maintenue à 26,7°C.

Ensuite l'autre groupe d'échantillons a été traité par chauffage électrique direct par résistance. Chaque échantillon a été chauffé à 927°C et trempé dans la même cuve de trempe que celle utilisée pour les échantillons 15 traités au four. Seize secondes ont suffi pour chauffer chaque échantillon à la température d'austénitisation désirée. On notera que la température d'austénitisation utilisée pour le traitement électrique était supérieure de 84°C à la température d'austénitisation utilisée pour le traite-20 ment au four. Une température d'austénitisation plus élevée a été nécessaire pour le traitement électrique afin d'assurer l'austénitisation complète de l'acier pendant ce cycle de chauffage court. En général, des température d'austénitisation plus élevées tendent à favoriser le criquage par 25 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-30 chercher les criques par trempe et mesuré pour déterminer la rectitude. Des criques de trempe ont été facilement mises 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-35 ce des criques de trempe des échantillons traités électriquement, ces échantillons ont été examinés de façon plus approfondie selon une technique par ressuage d'un colorant. Dans ce cas également, on n'a pas observé de criques de trempe.

20 *

On a également mesuré la rectitude de chaque échantillon. 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 5 a mesuré la séparation maximale entre la barre rectiligne et l'échantillon. On a divisé cette mesure (cm) par la longueur 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 * 10 les figures 3A et 3B montrent que les barres traitées élec triquement sont bien plus rectilignes que les barres traitées au four. Le tableau 2 présente les résultats concernant ces deux groupes de barres traités à chaud.

TABLEAU 2 15 Essai comparatif pour l'acier 4150

Numéros des Degré de Cricues échantillons distorsion , m t \ de trempe

Four (cm/dm) * 20 F-l 0,159 0 F-2 0,095 1 F-3 0,038 0 F-4 0,142 0 F-5 0,142 1 25 F-6 0,119 1 F-7 0,089 0 F-8 0,159 1 F-9 0,186 1 F-10 0,107 0 30 __'__

Distorsion moyenne 0,124 pa^trempe 50 % * - 21

Numéros des Degré de Cricues échantillons distorsion .

Electrique (cm/dm) 5 E-l 0,033 0 E-2 0,032 0 E-3 0,038 0 E-4 0,032 0 E-5 0,012 0 10 E-6 0,032 0 E-7 0,030 0 E-8 0,026 0 E-9 0,052 0

E-10 0,034 O

15 -:---

Distorsion moyenne 0,032 par’tïïÜU 0 4

Il ressort de façon évidente des valeurs figurant 20 dans le tableau 2 et de l'examen des photographies des figures 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-25 rieure à celle des barres traitées électriquement. On pourrait 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 30 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 observées correspondent aux limites de précision de l'essai de 35 dureté Rc.

ο·? A* L* TABLEAU 3

Comparaison des duretés de l'acier 4150 _ - n Traité c Traite au four <n . .

5 électriquement

Dureté moyenne au centre 62,2 Rc 62,1 Rc * Dureté moyenne à mi-rayon 60,8 Rc 61,3 Rc

Dureté moyenne en surface 60,7 Rc 61,4 Rc * 10

Dureté moyenne globale 0 π «r -n (30 essais) 61'2 Rc 61'6 Ro L'aspect le plus significatif des valeurs figurant dans le tableau 2 est constitué par les résultats du criqua-15 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 20 pourrait s'attendre à ce qu'un criquage se produise lorsqu'on utilise de l'eau au lieu de l'huile avec cette nuance d'acier. Cependant, aucun des échantillons traités électriquement n'a présenté de criquage, bien qu'on les ait trempés exactement dans le même milieu de trempe et que l'on 25 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 30 s'isolent sur les joints des grains d'austénite. Par conséquent, les joints des grains demeurent robustes et les échantillons 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 35 joints des grains d'austénite et 50 % de ces échantillons présentent un criquage.

Les figures 4A et 4B permettent de comparer la surface d'un des échantillons traités au four et celle d'un « 23 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 5 d'une extrémité à l'autre. Une coupe d'un des échantillons a montré que la crique de trempe s'étendait depuis la surface 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-s 10 triquement n'a présenté de criquages par trempe, les criques 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-15 tion rapides de l'acier. La figure 4A montre que la surface de l'acier traité au four porte une couche épaisse d'oxydes. D'autre part, l'échantillon austénitisé électriquement, ne comporte qu'une couche mince de calamine. Les mesures des épaisseurs des couches d'oxyde sur les barres 20 traitées au four, ont montré une valeur variant entre 0,038 et 0,089 millimètre. On a tenté de mesurer l'épaisseur de la couche d'oxyde des échantillons traités électriquement, mais cette couche était si mince que les mesures n'ont pas pu être effectuées. On peut simplement dire que 25 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.

30 EXEMPLE 2

Dans cet exemple, on répète les essais et les examens 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 35 dix barres et on en a découpé vingt échantillons. Ces échantillons avaient une longueur de 53,3 centimètres et un diamètre de 26,06 millimètres. L'analyse chimique de la coulée B figure dans le tableau 1 et on a choisi l'acier 6150 pour 24 ♦ 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.

5 Dix des échantillons ont été traités au four avec une température d'austénitisation de 843°C et une durée de chauffage de 4 heures. Après austénitisation, les échantil-* Ions ont été trempés individuellement dans de l'eau agitée, examinés pour rechercher les criques de trempe et leur 10 rectitude a été mesurée.

Les dix échantillons restants ont ensuite été aus-tënitisés selon les principes de l'invention. La température d'austénitisation choisie était de 927°C et la durée nécessaire pour chauffer chaque échantillon était de 18 secondes. 15 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 20 des échantillons, après la trempe, sont illustrés par les figures 5A et 5B.

TABLEAU 4

Essai comparatif pour l'acier 6150 25 Identification Degré de Criaues de l'échantillon distorsion ,

Four (cm/dm) de tremPe

F-l 0,114 O

F-2 0,077 1 30 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 35 F-8 0,072 1 F-9 0,000 1 F-10 0,038 1 '

Distorsion moyenne 0,096 Criquage 80 % _1 1_ t 25

Identification Degré de r · de l'échantillon distorsion , ™ électrique (cm/dm) de tremPe 5 E-l 0,014 0 E-2 0,014 0 E-3 0,000 0 E-4 0,012 0 E-5 0,030 0

* 10 E-6 0,018 O

E-7 0,002 O

E-8 0,016 O

E-9 0,026 0 E-10 0,017 0 15 ---

Distorsion moyenne 0,015 Criquage 0 %

Les valeurs du tableau 4 et les photographies des figures 5A et 5B montrent que 11 austénitisation rapide tend 20 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 électriquement.

Des essais de dureté ont été effectués sur la sec-25 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'échantillons ont été trempés essentiellement à la même dureté, 30 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.

26 TABLEAU 5

Comparaison des duretés pour l'acier 6150 m ·.< Æ Traité c Traité au four. . . .

5 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 * 10

Dureté moyenne globale 60,9 Rc 61,5 Rc (30 essais) ' ' L'aspect le plus significatif des valeurs présentées dans le tableau 4 concerne la comparaison du criquage par 15 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.

20 Les figures 6A et 6B montrent la surface d'un des échantillons traités au four et la surface d'un des échantillons traités électriquement. Une crique de trempe apparaît nettement sur l'échantillon traité au four. Ces photographies montrent également la couche épaisse d'oxyde sur 25 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-r pondants de l'exemple 1.

30 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 réduit au minimum la formation d'oxydes sur l'acier. Des 35 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 tableau 1. Dans tous les cas, les résultats ont été semblables a 27 et le nouveau procédé a évité qu'un criquage par trempe se produise.

. EXEMPLE 3

Cet exemple fournit une preuve additionnelle de 5 l'absence de criquage par trempe associée au présent procédé 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-* 10 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 15 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-20 lisé pour traiter plusieurs barres de chaque coulée d'acier. Les barres ont été chargées dans le poste de chauffage, chauffées à 927°C, puis trempées. Après la trempe, les barres ont été retirées mécaniquement de la cuve de trempe et chargées sur la table de maintien de sortie.

25 Lorsque la totalité d'un lot d'acier a été austénitisie 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 732°C. Les barres les plus grosses traitées 30 avaient un diamètre de 88,90 millimètres et une longueur de 3,0 mètres et l'austénitisation de ces barres nécessitait 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-35 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.

* 28

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 correspondant à l'une des dix coulées. Au total, cinquante barres 5 ont été traitées. Les traits en pointillés servent â délimiter la gamme des propriétés mécaniques et ne représentent aucune caractéristique statistique des données.

* Les gammes illustrées par la figure 7 sont étonnamment étroites si l'on considère que les diamètres de ces 10 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 15 l'examen de la figure 7 que l'on peut facilement faire varier les propriétés mécaniques de l'acier traité à chaud dans une gamme étendue par simple ajustement de la température de revenu.

On a également examiné chaque barre traitée pour 20 rechercher les criques de trempe et on n'en a pas trouvé. Ceci est particulièrement remarquable, car on trempe généralement 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, 25 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 s. grande 30 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 35 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 29 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 5 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 i les barres traitées avaient une longueur minimale de 2,4 mètres et on a utilisé les procédés de traitement décrits 4 10 dans l'exemple 3. Les températures d'austénitisation étaient comprises entre 871°C et 927°C et les températures de revenu entre 482°C et 704°C. Le tableau 1 indique les diamètres et les compositions chimiques des aciers étudiés dans cet exemple et on a étudié les coulées sui-15 vantes : A, B, M, N, 0, 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 déterminées. Les figures 8 et 9 montrent les résistances à la 20 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 25 cet acier contient du vanadium et il se produit un viellissement du vanadium dans cet acier à des températures de " revenu proches de 649°C. Ce phénomène est courant dans les aciers contenant du vanadium et ne constitue pas un aspect particulier de l'invention.

30 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 35 d'une trempe à l'eau. Dans cet exemple, trois alliages entraient dans cette catégorie. Les sept autres coulées étudiées auraient tendance à présenter un criquage par trempe lors de la trempe à l'eau et l'alliage 1144 aurait une « 30 forte tendance au criquage par trempe par suite de sa teneur élevée en soufre.

Lors du traitement de ces différentes nuances d'acier, on a tenté de déterminer la température d'austéni-5 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-* 10 viron 112°C à la température A2 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 démontre que le nouveau procédé peut 15 être appliqué sans difficulté à une gamme étendue d'alliages 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.

20 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 25 pour traiter trois tubes faits d'une coulée du commerce d'acier 4130. L'analyse chimique de cette coulée (coulée * ü) figure dans le tableau 1. Les tubes utilisés pour cet essai avaient un diamètre de 38,1 millimètres et une épaisseur de la paroi de 9,5 millimètres. Ces tubes ont été 30 traités avec les appareils de traitement thermique comme s'ils étaient des barres et on n'a rencontré aucune difficulté. Chaque tube a été austénitisé à 927°C et revenu entre 399 et 565°C. Après le traitement thermique, les tubes s ont été soumis à des essais pour déterminer les propriétés 35 mécaniques. Les résultats de ces essais figurent dans le tableau 7 « 31 TABLEAU 7

Propriétés mécaniques de tubes soumis a un traitement thermique 5 rz~. 71 ~ Résistance à Limite ..... _ 0. . . .

m . , . Allongement Striction

Traitement la traction élastique .JL

(MPa) (MPa) U)

Tous les tubes ont été austénîtisés à 10 927°C*

Revenu à 399°C 1397,2 1268,4 12,5 59,1

Revenu à 482°C 1272,6 1200,9 13,0 62,4

Revenu ä 566°C 1097,6 1003,2 16,0 67,3 15

Chaque tube a été examiné pour rechercher les criques de trempe et déterminer l'uniformité. On n'a pas observé de criques de trempe et l'uniformité de l'acier de la surface à l'intérieur et sur la longueur était excellente.

20 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 traitement thermique produit un tube uniforme de résistance mécanique élevée.

25 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 30 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 35 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 Μ 32 à travailler en acier par les contacts électriques. L'importance 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 5 présentaient un degré considérable de dressage. La figure 10A 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 * 10 de trempe. La figure 10B 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 15 figurent également.

TABLEAU 8

Distorsion de barres de la coulée J (longueur des barres 3,76 m) 20 ---

Distorsion après Distorsion Température la trempe après revenu de revenu (cm/dm) (cm/dm) (°C) 0,0296 0,0044 482 25 0,0465 0,0087 538 0,0422 0,0087 593 0,0168 0,0044 649 0,2153 0,0704 704 30 0,0084 0,0044 649 0,0210 0,0044 649 0,084 0,0044 649 s 35 Moyenne : 0,0485 0,0137 33

On a répété cette expérience sur des barres de plus gros diamètre de la coulée K. Le tableau 9 montre les résultats des mesures de la rectitude effectuées lors du traitement de cette coulée.

5 TABLEAU 9

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

Distorsion après Distorsion Température 10 la trempe après revenu de revenu (cm/dm) (cm/dm) (°C) 0,0253 0,0253 482 0,0760 0,0210 538 15 0,1689 0,0253 593 0,1689 0,0296 649 0,1858 0,0296 704

Moyenne : 0,1250 0,0262

Les valeurs des tableaux 8 et 9 illustrent le phénomène de dressage au revenu. Dans les deux cas, il s'est produit une diminution considérable de la distorsion des barres 25 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-30 sion est due à la redistribution préférentielle des contraintes 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 35 dressage.

EXEMPLE 7

Cet exemple décrit les résultats d'un essai comparatif complet de traitement thermique classique et du 34 traitement thermique selon les principes de l'invention. L'analyse chimique de l'acier utilisé pour cet essai comparatif (coulée G) figure dans le tableau 1. On a confirmé que cette coulée particulière d'acier 4140 ne présente pas 5 de criquage par trempe lorsqu'on 1’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.

10 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 températures comprises entre 482 et 593°C. Les charges du four ont été maintenues peu importantes pour que les traitements 15 d'austénitisation et de revenu soient appropriés. Une quantité égale d'acier a ensuite été traitée selon les principes 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-20 quement et les températures de revenu étaient comprises entre 538 et 704°C. Les durées d'austénitisation de chaque échantillon étaient de 42 secondes et toutes les durées de revenu étaient inférieures à 30 secondes. Ces traitements ont produit des échantillons ayant une résistance ä la 25 traction comprise entre 1034 MPa et 1447 MPa, et on a traité 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.

30 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- 35 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 35 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-5 portant ayant la même résistance mécanique. Des échantillons par flexion rotative régulière ont été préparés à partir 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 10 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 résistance à la fatigue et du facteur d'endurance.

TABLEAU 10 15 Propriétés mécaniques des éprouvettes de fatigue (coulée G) TîTciité

Propriétés mécaniques Traité au four c ^ électriquement

Av) Résistance à la traction ,lco n .,,-0 ~ (MPa) 1158,9 1158,2

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 30 ___

Facteur d'endurance = limite de fatigue/résistance à la traction.

Des essais de ténacité au choc Charpy ont égale-35 ment été effectués sur des échantillons de ces deux lots d'acier préparés pour qu'ils aient la même résistance â la traction (1240 MPa). Le tableau 11 montre les résultats de l'essai de choc Charpy dans une gamme étendue des tempéra 36 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.

TABLEAU 11

5 Valeurs du choc Charpy pour la coulée G

Température £our Traité . d'essai , . électriquement (°C) (J) 10 90 56,9 78,6 50 56,9 59,7 24 52,9 56,9 0 49,5 54,2 15 -25 35,9 43,4 -40 32,5 37,3 -50 25,8 27,8 , 20 -72 19,7 22,4

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 25 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-30 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 oroduit traité au four. Pour étudier js — cette hypothèse, on a acheté à un revendeur d'aciers un 1.....7” échantillon d'acier 4142 traité au four-. On a ensuite pré- 35 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 * 37 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'invention, a été austénitisé à 927°C et soumis à un revenu à 5 688°C. 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 5 10 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 statistiques de ces deux lots d'acier.

TABLEAU 12 15 ' Analyses statistiques de l'uniformité de l'acier 4142 _ ., _ fm Traité „ ·-,- Traite au four , . ,

Propriétés électriquement 20 mécaniques-----

Gamme Ecart-type Gamme Ecart-type Résistance à la 164,7 29,33 75,1 15,74 traction (MPa) ^fe ëlastlc2ue 156,4 29,28 99,2 25,52 2 5 l-M·* 3·}

Allongement (%) 5,0 1,045 3,0 1,127

Striction (%) 9,6 2,216 5,6 1,344 ....._ du oentre 6,0 1,394 3,0 0,577 "50_____

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-s priétés mécaniques, la gamme des valeurs obtenue est plus 35 étendue pour le produit traité au four. Les différences entre les uniformités de ces deux aciers sont particulièrement nettes lorsqu'on considère la résistance à la traction et la dureté. Les valeurs du produit traité au four sont 38 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 1*invention est environ deux fois 5 plus uniforme. De même, les duretés indiquent que le produit traité électriquement est environ deux fois plus uniforme que le produit traité au four.

. Pour démontrer que le procédé de 1'invention permet d'atteindre le potentiel de durcissement total par trempe 10 vivace correspondant à la teneur en éléments d'alliage, on a établi une comparaison entre l'échantillon produit ' classiquément décrit dans l'exemple 8 (coulée 5) et un échantillon d'acier moins allié (1045 ; coulée O) que l'on a traité selon l'invention. Le tableau 13 (coulée 0) permet 15 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.

20 TABLEAU 13

Comparaison de deux aciers soumis â un traitement thermique 4142 traité 1045 traité 25 au four électriquement , Résistance à la traction c _ (MPa) 1002'5 1047'3

Limite élastique (MPa) 891,6 894,3 30 Allongement (%) 17,5 18,0

Striction (%) 60,0 62,3

Teneur en carbone (%) 0,41 0,44 , Teneur en manganèse (%) 0,79 0,82 35

Teneur en chrome (%) 1,01 0,03

Teneur en molybdène (%) 0,18 0,01 t 39

Les valeurs du tableau 13 montrent que l'on peut atteindre le potentiel de durcissement total de 1'acier 1045 correspondant à la dureté d'un acier plus fortement allié et traité classiquement. Dans ce cas, l'acier 1045 5 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.

10 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 préparé deux échantillons métallographiques. Le premier échan-15 tillon a été préparé à partir de la coulée 5 qui est un exemple typique d'acier traité au four. Le second échantillon a été préparé à partir de la coulée Λ 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 20 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 figures que l'acier traité au four a été fortement décarburé 25 tandis que l'acier traité selon les principes de l'invention présente peu de décarburation. Pour vérifier les observations métallographiques, on a effectué des essais de microdureté sur les coupes préparées de ces deux échantillons. Les résultats des essais de microdureté sont illus-3o 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'invention. Cependant, l'importance de cette décarburation est relativement faible par rapport à la décarburation de 35 l'échantillon traité au four.

A partir de ces observations et d'autres, on peut conclure que le procédé de l'invention contribue à réduire au minimum la décarburation de l'acier lors du traite- 40 ft ment. Ceci est très probablement un résultat direct du cycle d'austénitisation très court utilisé. Le temps est ,trop court pour qu'il se produise une décarburation importante .

5 II 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 10 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-15 buration sont d'autres problèmes courants que le présent procédé réduit au minimum. Le procédé de l'invention permet également d'atteindre le potentiel de durcissement total de l'acier. Enfin, le produit obtenu selon le procédé de l'invention a une uniformité supérieure à celle d'un 20 produit obtenu selon des techniques classiques et il présente 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, 25 elle est susceptible de nombreuses 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)

1. Procédé pour le traitement thermique d'aciers sans criquage par trempe, caractérisé en ce qu'il comprend des stades qui consistent à : 5 (a) chauffer rapidement une pièce à travailler en acier a une température supérieure à la température Ag de l'acier pour transformer l'acier en austénite, la vîtes-* . se de chauffage étant telle que l'acier soit maintenu à une température supérieure à la température A^ pendant moins de ’ 10 300 secondes, (b) tremper l'acier dans un milieu de trempe liquide pour transformer 1'austénite en une microstructure essentiellement martensitique, et (c) faire revenir l'acier en soumettant la 15 pièce à travailler à une tension tout en chauffant rapidement la pièce à travailler à une température inférieure à la température A·^ de l'acier pour transformer l'acier en une structure martensitique revenue.

2. Procédé selon la revendication 1/ caractérisé 20 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 25 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 30 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 35 du revenu, la tension ayant une valeur telle que les efforts développés dans la pièce soient inférieurs ä la limite élastique de l'acier.

7. Procédé pour le traitement thermique d'aciers 6 42 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 5. 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 A^ pendant moins de 300 secondes, et (b) tremper l'acier dans un milieu de trempe r 10 liquide pour transformer 1'austénite en une microstructure essentiellement martensitique, pour que l'acier soit dépourvu de défauts de trempe et présente une faible déformation par trempe.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en 15 ce qu'on chauffe rapidement l'acier à une température supérieure 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- 20 lière.

10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé 11 on en ce que / trempe la piece a travailler dans des conditions 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 30 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 A^ est insuffisant pour qu'une quantité importante d'éléments de fragi-35 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 1'austénite en une microstructure essentiellement martensitique. c Λ 9 43

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce queV°^ffectue le chauffage par chauffage électrique direct par résistance.

13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé 5 en ce que le temps pendant lequel la pièce à travailler est à une température supérieure à la température A.^ est inférieur à 300 secondes.

. 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé 1, o en ce que /°£rempe la pièce à travailler dans des conditions 10 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 15 que l'acier a subi un traitement thermique suivant un procédé conforme à l'une des revendications 1 à 15. 1