<Desc/Clms Page number 1>
BREVET D'INVENTION 'Piéces métalliques et leur procédé de fabrication-
L'invention concerne la fabrication de pièces métal- liques par compression de poudres et plus particulièrement un procédé de moulage de précision de pièces en aciers dure à forte teneur en carbone et allies, et elle vise également les pièces fabriquées par ce procédé.
Le principal objet de l'invention consiste dans la fabrication de pièces non déformées, de dimensions précises et d'une résistance voisine de celle des aciers les plus durs et les meilleurs, sans avoir recours aux opérations coûteuses successives d'usinage, de trempe et de rectifi- cation de précision*
D'autres objets de l'invention consistent à abréger la durée des opérations d'agglomération ou de "frittage" nécessaires jusqu'à présent dans le traitement des poudres
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
par compression;
à comprimer l'acier ou les alliages d'acier sous forme de pièces compacte@ jusqu'à une densité et une résistance qui n'ont pu être obtenues jusque présent, en rendant ces pièces compactes particulièrement susceptibles de subir une déformation plastique, tandis que les matrices et poingona qui exécutent le travail restant résistants et rigides; et à comprimer des pièces en acier de forme pré-
EMI2.2
cîsep qui peuvent être ensuite trempées k l'état'de marteb- site et de bainite, ou de martensite ou de bainîte, sans subir de déformation sensible, même lorsque des variations de densité considérables sont inévitables en raison de
EMI2.3
l'irrégularité des formes, qu'on fe,ît prendre k la poudre comprimée.
Ces résultats sont obtenus au moyen de deux opérations
EMI2.4
de conlpression séparées par un traitement thermique inter- médiaire, en mettant à profit le fait connu que certains aciers à l'état doux aust6nîtîque (gamma)caractér1etique des températures supérieures à la température critique, peuvent être trempés, non en réalité à la- température am-
EMI2.5
biante, mais à une température inférieure à celle qui cor- respond k la formation rapide de la perlite et supérieure à l'intervalle Arg (généralement compris entre 93 et 63700)t sans revenir immédiatement aux formes plus dures (alpha) qui sont stables à ces températures.
La description de l'intervalle Ar' est donnée dans le chapitre VI de l'ou-
EMI2.6
vrage d'Epatein -Alliages de fer et de carbonew, En choi- sissant, aussit6t après cette trempe 4 une température intermédiaire, le moment de comprimer le métal Se@ dimen- sions finales avant qu'il ait eu le temps de se transformer à l'état stable, on a l'avantage de disposer d'une masse
EMI2.7
de métal dom:, élastique, qui peut être comprimé à, l'état de très faible porosité, sans exercer une pression excès-
<Desc/Clms Page number 3>
sive, ni chauffer les matrices ou les poincons à une tempé- rature les affaiblissant notablement.
De plus l'agglo- mération ou frittage qui serait nécessaire pour faire ac- quérir à la pièce la ténacité et la résistance voulue après compression, et provoquerait sa déformation et lui ferait perdre la grande précision des dimensions assurée par l'opération de compression devient inutile. les conditions d'exécution de détail des principes de l'invention sont très variables suivant la composition de l'acier employé, qui peut contenir des éléments d'al- liage, tels que le nickel, le chrome, le manganèse, le molybdène, le tungstène, le vanadium et le tantale ainsi que leurs carbures, à l'exclusion du carbure de nickel, qui ne se diffuse que partiellement dans l'acier, lorsqu'ils existent aussi en partie à l'état de particules, en faisant acquérir à l'acier une grande dureté et une forte résis- tance à l'usure.
En général, les éléments d'alliage autres que le co- balt retardent la transformation et abaissent l'intervalle Ar". Des teneurs excessives en manganèse, chrome et nickel ou une combinaison quelconque de ces métaux peuvent même retarder indéfiniment la transformation. L'invention est donc limitée aux aciers dont la limite supérieure de l'in- tervalle Ar" est supérieure à la température ambiante.
En général, le traitement par le procédé suivant l'invention s'effectue de préférence par les opérations aui- vantes: a) On comprime à froid la poudre mélangée avec un lubrifiant tel que l'acide stéarique, en lui faisant ac- quérir une densité d'environ 7 (par exemple porosité de ; 10 %). On lubirife également les surfaces de la matrice et du poingon. Suivant une solution équivalente, on peut tasser la poudre en vrac dans un moule.
<Desc/Clms Page number 4>
b) On chauffe la pièce compacte une température de 371 . ds593 C pour en chasser le lubrifiant, puis on la chauffe
EMI4.1
k une température supérieure à, la température critique de l'acier en question en la transformant en austénite.
S'il contient des éléments d1alliage n'ayant pas diffusé, il peut être avantageux de prolonger ce chauffage assez long-
EMI4.2
temps pour permettre à la diffusion de s'effectuer, Mais on emploie de préférence une poudre dans laquelle les élé-
EMI4.3
/sont mente d'alltage/dêàà dîffunês d'une manière suffisamment uniforme pour qu'un chauffage de courte durée soit suffi- sent- Le chauffage s'effectue en atmosphère non oxydante
EMI4.4
dont la nature est commode À vérifier par ie8$ai de non coloration de l'acier inoxydable brillant "18-18"
EMI4.5
C) On trempe la pièce compacte à une température inférieure à sa température critique,
mais sup4rieure k son intervalle Ar'. La trempe s'effectue assez rapidement pour que la structure de l'acier reste en totalité ou en grande
EMI4.6
partie &uetén1tique è, l'état temporairement stable. d) Avant qu'une quantité appréciable (ou nulle) d'aus-
EMI4.7
ténite ait eu le temps de se transformer, on reeomprime ou matrice la pièce compacte rapidement à peu près k la m3me température avec une matrice et un poinçon chauffé@ d'une manière appropriée pour lui faire prendre ses dimensions finales, de préférence nous une forte pression, par exemple
EMI4.8
de 9,6 k 14 tonnes/cm.
Si la compression est assez rapide, la densité de la pièce compacte peut ainsi atteindre une valeur de 7,6 7,7 ou supérieure, qui lui fait acquérir une très forte résistance. La forme peut ainsi être beaucoup Plus compliquée que celle de. pièces subissant une compres-
EMI4.9
sion ordinaire À froid pour deux raisons , 1) le métal s'écoule plus facilement et 2) même si des différences de densité subsistent, la pièce ne subit pas de fritte.
EMI4.10
±'111al à. haute température donnant lieU à une notable défor-
<Desc/Clms Page number 5>
mation.
Dans certains cas, il est possible de combiner la trempe avec la compression, en introduisant rapidement la pièce compacte austénitique chauffée dans une matrice volumineuse à une température légèrement inférieure à la. température de matricage et en faisant agir la pression immédiatement en soustrayant ainsi rapidement de la chaleur à la pièce compacte relativement petite et en lui faisant prendre la température de matriçage de préférence avant que le matrigage soit terminé.
Quoique de préférence la structure soit pratiquement austénitique lorsque la pièce compacte est matricée, elle doit être au moins austénitique à 60 %. e) On transforme la structure austénitique sous sa forme stable. Cette transformation s'effectue spontanément sans déformation, soit par formation de bainite si la température 1) augmente ou dinue légèrement, ou 2) reste à peu près constante, soit 3) par formation de martensite si la. pièce compacte refroidit rapidement à la température ambiante.
Ce refroidissement ne doit pas être plus rapide qu'il n'est nécessaire, pour empêcher la transformation à l'état de bainite, afin que les contraintes qui prennent naissance sous l'effet de fortesvariations de température et la dilatation qui résulte de la transformation à l'état de martensite à des *itesses différentes d'une partie de la pièce à l'autre ne provoquent pas de déformations, ni d'affaiblissement, ni ne laissent subsister des contrain- tes résiduelles; toutes ces précautions sont faciles à observer au oours de l'opération suivant l'invention.
En transformant ainsi la structure austénitique sous sa forme finale stable à basse température et avec de faibles variations de température, les dimensions de la pièce finie peuvent être conservées à 0,0006 mm/mm près par rapport aux dimensions que lui a fait acquérir la matrice au cours de
<Desc/Clms Page number 6>
EMI6.1
l'opération de compression fina1c En. régie générale, la pice peut être refroidie dans l'air ou dans un gaz non oxydant. Aucune opération de frittage n'est nécessaire* f) La pièce peut être étirée, recuite, ce. par les moyens connus, si on le désire.
Les opérations décrites ci-dessus suivant l'invention sont résumées graphiquement sur la figure ci-jointe, qui
EMI6.2
est un diagramme des transformations îsothormlques (voir par exemple ê6 titre de comparaîeqon "Atlau of Isothermal Transformation Dia-grajac', United 8ta,teo Stell, 1943) d'un acier type contenant 0,8 C et 0,8 % , auoténî 4 8990 avec grains de grosseur 6.
L'axe vertical du côté gauche indique les niveaux de température et l'axe vertical du cô- té droit indique la dureté finale en degrés de dureté
EMI6.3
Rockw*11 C en fonction du temps porté en valéars l.oari miques sur l'axe horizontal. Les courbes1 et II représen- tent respectivement la transition tro l'unténite et
EMI6.4
l'austén1te-ferrite d'une part, et la. transition entre l'austénite-ferrite et la ba-inite d'autre part. Les inter- vaiies Ar' et Ar' précitée sont également indiquas.
Les lettres (qui correspondent aux opérations décrites ci-dessus et désignées de la même manière) indi- quent les phases du procédé suivant l'invention dans les conditions suivantes:
La piéce compacte froide comprimée est maintenue pen- dant une période d'une durée appropriée a-b à une tempéra- ture ta à laquelle elle se transforme en austénite.. Au
EMI6.5
moment A la trempe 4 une température intérieure k sa trempé- rature critique, :mais eupérie1..<1.re h l'intervalle Arme Pendant la. période la pièce compacte subit une recompression rapide
EMI6.6
, une température sensiblement constante tee Faia la pièce compacte reeomprimée, encore L l'état eusténitique, est transformée à l'état stable par un des moyens suivants :
on
<Desc/Clms Page number 7>
peut la réchauffer à une certaine température e1, puis la. transformer en bainite à température constante,, pour lui faire acquérir une dureté déterminée, caractéristique de la température de transformation; ou bien on peut la main- tenir à peu prés à la température de recompresaion et la transformer en bainite, en lui faisant acquérir la dureté correspondant à cette température, comme l'indique le point ou bien on peut refroidir la pièce compacte à la tempé- rature ambiante, comme l'indique la courbe e2, pour former de la mertensite.
Pendant toutes ces opérations, on protège de préférence la pièce contre l'oxydation en la maintenant dans une at- mosphère Inerte ou non oxydante.
Le procédé suivant l'invention est très différent de la compression ordinaire à chaud, qui s'effectue à une température beaucoup plus élevée dans le but de ramollir le métal seulement par l'action de la température, ce qui a évidemment pour effet de ramollir le métal des matrices et des poinçons, Pendant l'opération de compression à chaud, la dureté du métal comprimé à chaud ne varie pas en fonction du temps tant que la température reste constante. Au con- traire, suivant l'invention, le métal a été trempé à un état temporairement stable de ramollissement non naturel à la température de l'opération, et on le recomprime ou le matrice pendant une période d'une durée limitée, avant qu'il redevienne dur.
De préférence, la température de recompression ou matrigage est comprise entre 205 et 317 C mais l'invention .'est pas limitée à cet intervalle, pour traiter les aciers de toutes les compositions. Ces conditions ont été considé- rées jusqu'à présent comme absolument inacceptables dans le traitement du fer et de l'acier, soit pour le comprimer à chaud, soit pour faire prendre sa forme à un lingot. Cet
<Desc/Clms Page number 8>
Intervalle de température a été appelé intervalle de "fragilité au bleu*' (voir Z. Jeffries & R.S. Archer, "The
Science of Metals". page 182). car le traitement du fer ou de l'acier à l'état stableé cette température a pour effet de les rendre extrêmement fragiles, lorsqu'on les refrodit à la température ambiante.
La résistance et la dureté du fer et de l'acier sont plus grandes et leur ductilité plus faible dans l'intervalle de la fragilité au bleu et par suite ils sont plus diffi- ciles à travailler. Le métal des matrices et des poinçons n'est donc pas mou lorsqu'il est chauffé à la température de la pièce, pour la matricer pendant qu'clle est à l'état métastable, et en fait sa température peut être comprise dans l'intervalle de la fragilité au bleu, qui correspond une dureté non élastique.
Lorsque la matière première copaiste en poudre de fer en mélange avec des éléments d'alliage en poudre, on emploie de préférence de la poudre de fer extrêmement pure, non rendue fragile par l'hydrogène ni écroule. Le degré de pureté de la poudre doit être suffisant pour que la tota- lité des Impuretés dissoutes ne dépasse pas 0,3- 0,8 %, que la perte de poids de la poudre chauffée dans l'hydrogène sec pendant deux heures à 982 C soit inférieure à 0,4 - 0,7% et que la grosseur des grains soit égale ou supérieure à la grosseur No 9 de l'échelle ASTM des grosseurs des grains des divers métaux.
L'invention est facile à comprendre d'aprés les exam- ples suivants, mais ne doit pas être considérée comme étant limitée par eux :
Exemple 1- On mélange intimement (par exemple dans un broyeur à boulets) du fer électrolytique avec 1 % de manganése métallique, 0,9 % de carbone et 1% de lubri- fiant d'acide stéarique. On comprime ce mélange aoue un@
<Desc/Clms Page number 9>
EMI9.1
pression de 4 tozme./¯2 et on la fritte à, 109300 pendant trois heure. (pour permettre à la diffusion de s'effectuer,
EMI9.2
en particulier celle du manganèse) dans de l'hfdrogene contenant 0,32 % en volume de gaz naturel.
Buis on trempe la pièce compacte frittée et sensiblement homogène dans un bain de soudure fondue à 260 C, on l'y comprime (matrice) pendant deux minutes noue une pression de 14 tennes/cm2 dans une matrice également à une température environ 260 c, on la fait sortir de la. matrice et on la refroidit rapi- dement, en transformant aa structure austénitique à peu
EMI9.3
près complètement en martensite. On peut la. reCUire/eaui'" par un procédé connu pour augmenter sa ténacité, si on le désire.
EMI9.4
Etant donné que la traneformation cl 1austdnite ayant la composition indiquée ci-dessus ne commence pas avant que deux minutes se soient écoulées après que l'acier a été trempé à une température inférieure à sa température critique, la pièce compacte est austénitique pendant qu'elle
EMI9.5
subit la recomprosolon (matr1Iage. La densité d'un échan- tillon d'essai a été trouvée égale à 7,54, qui correspond
EMI9.6
16 une porosité d' environ a % et se dureté Rockwoli-0 égale â 68. Après 'tira8. k 59300p sa résistance k la traction était supérieure k 105#4 kfiosoa2 et sa dureté Rockwall-B 4gale .. 102.
Une pièce compacte semblable a été fahriqués en par- tant de la même matiére première, comprimée à la même pression et frittée à la même température pendant le même temps, puis refroidie lentement (au lieu de la tremper) de façon à rendre sa structure perlitique. L'échantillon fritté a été chauffé à 280- C, et matricé dans une matrice
EMI9.7
et avec un potngon chauffés également , 26000 sous une pression de 141,7 klJ/rma2. La densité de cet échantillon était de z,11 correspondant a. une porosité d'environ 8 %
<Desc/Clms Page number 10>
et ses propriétés physiques étaient beaucoup moins satis- faisantes, du fait de la résistance plus forte de la. perlite au matriçage par rapport à 11 austénite temporairement stable.
Si un trempe cette pièce en la chauffant à une température supérieure à sa température critique et en la trempait ensuite, elle subît de* déformations considérables, qui ne permettent pas de la fabriquer avec des tolérances étroi- tes, qu'on peut obtenir en comprimant la pièce de struc- ture austénitique temporairement stable suivant l'invention, opération qui n'exige auuun traitement thermique ultérieur haute température pour obtenir une forte dureté.
Exemple 2 - La matière première est une poudre d'acier ayant à peu près la composition de 'acier "S.A.E' 1080 c'es-à-dire; carbone 0,76 k 0,88 %; manganèse c,60 à 0.90 %; phosphore 0,04 % max et soufre 0,05% maax, le complément étant du fer. Cette -poudre d'acier est trop dure pour qu'on puise* obtenir une forte densité de l'ordre de 7,3à 7,7 et des caractéristiques physiques élevées en la comprimant à froid et la frittant par les procédés ordinaires.
Sui- vant 1' invention, on peut mélanger cette poudre avec 1% de lubrifiant d'acide stéarique dans un broyeur k boulets ou autre mélangeur approprié. huis on la. comprime . froid dans une matrice appropriée sous une pression de 42,5à 141,7 kg/mm2. par exemple BOUS 'forme d'une barre d'environ 60 x 6 x 8 mm, qu'on fait sortir de la. matrice de compres- sion à froid.
Puis on fritte la pièce comprimée à froid dans une atmosphère non oxydante, non carburante et non décarburante, qui peut consister en hydrogène et en méthane* La température de frittage peut être comprise entre 815 et 1315 C et est de préférence égale à 1093 C.
Etant donné que la matière première consiste en une poudre dtacier conformée, dans laquelle le carbone et les
<Desc/Clms Page number 11>
éléments d'alliage sont dissous et à peu près uniformément répartis dans toutes les particules de la poudre, la durée du frittage peut être plus courte que dans l'exemple pré- cèdent, pù doivent s'effectuer l'homogénéisation et la production de l'acier. La durée du frittage doit être suf- fisante pour que la structure de l'acier devienne complè- tement austénitique. La limite supérieure de l'intervalle Ar" de cet acier est d'environ 221 0. A la fin de la période de frittage on trempe la pièce en acier austénitique agglomérée dans un bain de mercure à une température d'en- viron 271 0.
Lorsque la pièce en acier austénitique a atteint sensi- blement cette température et avant qu'une quantité appré- ciable de sainite s'y soit formée, la structure de la pièce restant austénitique, on l'introduit dans une matrice appropriée qui est à une température de 281 C et on la comprime au moyen d'un poingon chauffé à la même température sous une pression de matrigage d'environ 141,7 kg/mm2, qu'on maintient de préférence pendant environ 16 secondes.
La structure de la pièce est alors austénitique. Puis on fait sortir la pièce matricée en acier austénitique de la matrice, et on peut alors la refroidir par un des moyens décrits ci-dessus pour transformer l'austénite en marten- site ou en bainite, ou en un mélange de martensite et de bainite en proportions quelconques à volonté.