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"TOURILLON D'ARBRR TREMPE A LA SURFACE3
Les tcurillonsdes arbres, plus spécialement des vilebre- quins, sont généralement des crânes mécaniques soumis à des efforts considérables ,qui doivent satisfaire à la condition indispensable,non seulement d'offrir une sécurité complète contre la rupture sous les efforts statiquess et dynamiques, mais encore d'opposer une grande résistance à l'usure par le frottement de gli s semen t.
Il est donc nécessaire que cespièces possèdent une cer- taine résistance et ténacité; propriétés qu'elles peuvent acqué- rir dans les limites voulues par l'amélioration connue, c'est à dire pan la trempe suivie d'un recuit moyennant un réglage appro-
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prié de la température de recuit. D'autre part, toute la pièce ou tout au moins sa couche superficielle doit posséder une gran- de dureté peur offrir une grande résistance à l'usure. Les deux propriétés, à savoir une grande résistance sous un bon allon- gement et une grande dûreté de la surface, ne peuvent cependant pas être réalisésà la foisd'après les procédés connus jusqu' à présent, car l'augmentation de l'une des propriétés a pour con- séquence une diminution de 1' autre.
. Dans la plupart des cas, on s'efforce à satisfaire d'abord aux conditions de la sécurité contre la. rupture, en renonçant donc à produire une couche de surface particulièrement dûre, et on emploie, pour les vilebrequins soumis à des efforts considérables, des aciers à l'état amélioré, dont la teneur en carbone est en général entre 0,2 et 0,45%. Comme le procédé d'a- mélioration est effectué avantl'usinage mécanique de la pièce et que le résultat obtenu peut être contrôlé sur chaque pièce par des essais de résistance( par exemple par des essais de compression par billes), il présente un avantage important oom- parativement aux autres traitements thermiques, décrits ci-a- près.
De plus, dans le finissage courant, l'usinage complémen- taire ne subit aucune interruption par un traitement thennique nécessitant un temps considérable.
Toutefois, dans ces derniers temps, la nécessité d'une grande résistance à l'usure s'est imposée de plus en plus oomme conséquence du développement de la construction des moteurs vers les grandes vitesses et les hautes pressions de compres- sion(moteurs Diesel), et on a eu recours, dans une plus large mesure, à l'emploi des aciers cémentés à la surface. Mais, par suite de leur faible teneur en carb one (moins de 0,2%), ces aciers ne possèdent que de faibles propriétés de résistance que l'on doit compenser par des dimensions plus grandes. Les conséquences p'zdudiciables en sont une plus grande dépense de matière et un poids plus élevé, ce qui est inadmissible plus spécialement
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pour les vilebrequins des automobiles et des avions.
Les conditions sont analogues si l'on opère la trempe de surface par un traitement par l'azote.
Ce procède présente encore l'inconvénient spécial de produire une modification chimique de la couche superficielle.
La composition de la couche superficielle n'a plus le caractère d'un acier de construction, mais celui d'un @cier à outils ai- gre, avec coefficient de dilatation changé, ce qui occasionne un grand déchet par suite de criques par tension.
Ce procédé ne permet non plue d'opérer, dans des laps de temps économiquement admissibles, l'enrichissement du carbone dans une couche épaisse de plusieurs millimètres, ou de l'azote dansune épaisseur même de 1/2 millimètre seulement, sans qu'il se produise, par endroits, un dépassement de la con- centration admissible (cémentite libre ou braunite). On ne peut donc produire que des couches de surface très minces. Pour le finissage à la meule après la trempe, il est cependant fréquem- ment nécessaire non seulement de donner au tourillon la forme exactement cylindrique mais encore, plus spécialement lorsqu'il s'agit de vila brequins à plusieurs coudes, de condenser toute excentricité ou dilsparallélité qui aurait pu être occasionnée par gauchissement.
Si donc la couche superficielle trempée est déjà par elle-même relativement mince, il peut arriver facile- ment que, par le moulage, la couche trempée soit affaiblie par endroits d'une manière inadmissible, ou soit même enlevée, ce qui rend toute la pièce inutilisable. Pour éviter un tel déchet, il est donc nécessaire, en adoptant ces procédés, de rectifier soigneusement lespièces après la trempe et avant le meulage, travail qui non seulement est compliqué et exige une habileté spéciale, mais laisse encore des tensions inévitables dans la pièce .
Ces tensions se manifestent d'une manière particulièrement préjudiciable parce qu'elles viennent s'ajouter aux tensions provoquéespar la composition différente de l'enveloppe et du
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noyau et favorisant ainsi l'effeuillaient connu des pièces cé- mentées à la surface.Les tensions ne peuvent pas non plus être supprimées par le recuit ou adoucissement ultérieur, sans qu'en même temps la dureté de la couche superficielle trempée soit amoin- drie.
L'épaisseur insuffisante de cette couche a. aussi la con- séquence préjudiciable que, sous de fortes compressions de la surface, il puisse se produire par endroits un enfoncement dansle ncyau, ce qui pourrait occasionner la destruction de la pièce même ou, dans certaines circonstances, de toute la machine.
Enfin, ces procédés présentent cet autre inconvénient que le long traitement thennique qu'ils nécessitent ne s'adap- tepas à la fabrication en série, mais rend nécessaires une in- terruption dans la marche de la fabrication de chaque pièce et une accumulation d'un grand nombre'de pièces.De ce fait, la quanti- té totale des pièces simultanément en cours de fabrication est considérablement augmentée.
Un autre procédé qui conduit également à l'obtention d'une dureté plus grande à la surface du tourillon que dans le noyau consiste dans l'emploi peur les arbres d'un acier trem- pant à l' air. D'aprèsce procédé, seuls les tourillonsdes arbressont portés à la température de trempe, par exemple au moyen d'un brûleur à vent, pour refroidir ensuite plus ou moins rapidement, plus rapidement à la surface que dans le noyau de sorte que la trempe va en diminuant vers l'axe.
Ce procédé, qui exige l'emploi d'une matière coûteuse, d'une faible capacité d'amortissement de la vibratilité, ne permet cependant de réa- liser que d'une façon incomplète les propriétés recherchées de la surface et du noyau; en effet, la surface n'acquiert pas la dureté et le noyau n'acquiert pas la ténacité qui seraient désirables. La résistance du noyau qui est obtenue ne peut pas ê- tre contrôlée.
On a proprosé, en outre d'employer des pièces en .. acier de grande résistance, carburées à la surface, de ne les
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chauffer que superficiellement dans un bain de trempe et d'éton- ner ensuite la pièce avant que le chauffage ait pro ressé jusque dans le noyau. Ce procédé est cependant complique, il n'est pasapplicable aux vilebrequins si l'on ne veut pas tremper aussi lesflasques du vilebrequin, etil n'est pas plus approprié au finissage courant que la trempe de surface usuelle.
Pour le durcissement des bandages des roues de chemins de fer, on a proposé un procédé qui consiste à chauffer à la température de trempe la bande superficielle à tremper par le passade unique avec un brûleur à s uder et de tre per aussit6t 'il dans l'eau, avant que le chauffage se soit propagé dans des zônes plus profondes de la pièce. On a proposé aussi de tremper d'une manière analogue leschampignons des railsde cheminsde fer, but dans lequel on peut employer des brûleurs avec tuyère à fente.
La présente invention est basée sur le:. constatation que ce procédé offre la possibilité en réglant d'une manière appropriée la température du brûleur a souder et le temps pen- dant lequel on fait passer la brûleur sur la surface à tremper, de tremper une couche de surface de toute épaisseur voulue, par exemple de 3 à 8 mm, sans que, d'une part, la matière soit brûlée ou que, d'autre part, les propriétés de résistance des zones plus profondes, 0' est à dire du noyau, subissent une influence nuisible.
Par l'application de ce procédé conformément a l'inven- tion, on obtient un tourillon d'arbre, plus spécialement un touril- lon de vilebrequin trempé, à la surface, et dont la matière à la même composition chimique dans le nojau et à la surface, ce tourillon possède à la surfaceune enveloppe d'une grande dureté uniforme, ainsi qu'un noyau qui n'a été influencé en rien par le traitement de trempe de la surface.
L'invention est basée, en outre, sur la constata- tion que ce sont précisément ceux des aciers améliorés qui se sent
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montrés les mieux appropriés peur les vilebrequins, qui possèdent, à l'état brusquement étonné, la dureté voulue pour la surface, à savoir la même dure té que celle qui a été reconnue la plus convenable par exanple pour les empoises ou coussinets trempés pour les trains de laminoirs, sans exiger les teneurs élevées en carbone et en chrome qui sont ordinairement nécessaires pour les empoises, car on peut étonner celles-ci moins brusquement en raison du danger de formation de criquàs ou fissures.
pour la trempe des tourillons d'arbres conformément à la présente intention, il importe donc de créer des conditions telles que la surface du tourillon soit chauffée suffisamment pour que la trempe soit produite parle refroidissement subséquent, mais que le noyau reste froid.
Dans ce but, on se sert, par exemple d'un brûleur avec tuyàre à fente, dans des conditions analogues à celles con- nues pour la trempe des champignons de rails. On dispose ce brûleur de fagon que la fente soit parallèle à l'axe du touril- lon et on le fait passer sur la surface du tcurillon en faisant tourner ce dernier. La surface chauffée est ensuite étonnée aus- sitôt avant que le chauffage ait professé dans les zônes plus profondes. Il est bien entendu qu'il serait tout aussi possible de faire tourner le brûleur par rapport au tourillon ou d'adop- ter un autre mode de chauffage, électrique par exemple.
Le refroidissement eat soit par l'air embiant seul, soit par des jets d'air refroidi artificiellement le cas échéant, qui est soufflé aussitôt derrière le brûleur sur le tourillon, ou par des jets de liquide, ou par un bain liquide etc...
Ce mode de fabrication et le produit obtenu présentent les avantages suivants qu'aucun procéda c mnu jusqu'à présent permet de réaliser à la fois:
I) La possibilité de choisir les aciers à employer en considération saulement des efforts ou fatigues à attendre c'est à dire d'employer des aciers améliorés très alliés, aussi bien que non alliés ou faiblement alliés.
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2) D'améliorer le noyau dans leconditions reconnues lesplus favorables pour lespièces de ce genre.
3) La possibilité de contrôler la résistance du noyau du produit fini, par des essais de résistance effectuée après le traitement d'amélioration.
4) De produite une enveloppe trempée ayant la même résistance et la même dureté q@e las coussinets qui offrent une résistance parfaite à l'usure.
5) La possibilité d'adapter l'épaisseur de l'envelop- pe trempée aux efforts et fatigues attendus.
6) La possibilité d'obtenir ar le meula;se finisseur les dimensions finales voulues,grâce à l'épaisseur plus forte de l'enveloppe trempée, sans qu'il y ait à recourir à une rectifi- cation préalable.
7) La possibilité d'exécuter la trempe sur les pièces isolément et en un laps de temp qui est adapté au rythme du filsissage courant.
8) La diminution considérable des tensions existant entre l'enveloppe ,trempée et le noyau non trempé, par suite de la même composition chimique du noyau et de l'enveloppe.
9) Une ténacité plus grande et un meilleur pouvoir amortisseur, c'est à dire un moindre danger de formation de criques dans la couche trempée;, comparativement aux couches dont la troupe est basée sur la modification de la composition chi- mique'
10) Un gauchissement minime de toute la pièce, car, pen- dant le traitement de trempe, le chauffage ne se fait que pas très petites parties à la fois.
La fige du dessin annexé montre, à titre d'exemple une disposition pouvant être adoptée pour le procédé de fabrication.
Dans cette figure:
A désigne le tcurillon à tremper animé d'un lent mouve- ment de rotation.
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B le brûleur servant au chauffage, et Ç une tuyère par laquelle l'agent de refroidissement est envoyé sur le tourillon.
La fig.2 maître, à titre d'exemple, le processus de la trempe sur la section d'un tourillon, conformément à l'inven- tion. La courbe B montre celui d'un tourillon fabriqué d'après leprocéda de cémentation à la surface, et la courbe C montre celui d'un tourillon en acier au chrome et nickel trempant à l'air. Comme abcisse, on a indiqué la distance de la surface du tourillon, et comme ordonnée, la dureté de Reckwell C ou la résistance à la traction en kgs/mm2
La courbe A montre que, dans l'enveloppe extérieure du tourillon, d'une épaisseur d'environ 7 ion, la dureté correspond à 60 degrés Rockwell,
p' est à dire que cette enveloppe montre la même résistance que celle que possèdent usuellement les empoises eu coussinets des trains de laminoirs, tandis que le noyau pos- sède uniformément une dureté d'environ 27 degrés Rockwell égale à une résistance à. la traction de 95 kgs/mm2, correspondant à la résistance d'un acier peur vilebrequins, exactement amélioré, supportant des efforts ou fatigues considérables.
Comparativement à la courbe A, la courbe B montre bien une enveloppe très dure, qui est cependant beaucoup plus mince,, et n' a qu'une épaisseur d'environ 1,5 mm, tandis que la résistan- ce du noyau est considérablement inférieure à celle de la courbe A par suite de la faible teneur en carbone. Le processus de la trempe d'un tourillon trempé à la surface par traitement à l'azo- te est analogue à celui de la courbe B; la couche extérieure pos- sède bien une dureté encore plus grande mais son épaisseur est encore inférieure à celle que l'on obtient par le procédé de cémentation à la surface.
La courbe Ç montre qu'un tourillon en acier au chrome et niokel trempant à l'air ne montre que des différences relati- vement minimes dans la dureté de l'enveloppe et du noyau. Com-
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parativement à A et il ,sa surface n'a qu'une résistance à l'u- sure considérablement plus faible, et son noyau a une plus grande fragilité.
Les valeurs de résistance indiquées à titre d' exemple dans les courbes peuvent être influencées, bien entendu, dans tous les trois cas, par la composition de l'acier employé. Le type de la répartition de la dureté reste cependant le même.
La fig.3 montre la section d'un tourillon d'après l'invention. a est l'enveloppetrempée, ble noyau amélioré.
L'invention n est pa s exclusivement limitée à la fabrication de tourillons de vilebrequins, riais elle est appli- Gable aussi à la fabrication de pièces mécaniques dans le genre des tourillons, soumises à des efforts ou fatigues analogues; le choix de la matière est dépendant de la capacité de résistance à l'usure que doit posséder l'enveloppe, et de la résistance que le noyau doit offrir aux efforts statiques et dynamiques.
Des essais faits avec des axes de .guidage, des rou- leaux etc...,en acier forgé et en acier coulé, même non amé- lioré, ont montré que les difficultés de l'obtention simultanée de bonnes propriétés de résistance et d'une grande résistance à l'usure peuvent être surmontées d'une manière surprenante par le procédé d'après .L'invention décrit ci-dessus.
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