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"Procédé de traitement à chaud de métaux et produits obtenus par ce procédé"
Lors des traitements à chaud des métaux, par exemple lors du laminage ou du forgeage, etc... deux phénomenes ont lieu l'un, dû aux efforts mécaniques (déformation) l'a.utre, dû a. la température (recristallisation)
Le premier phénomene réside dans une déformation (allonge- ment) des grains, originalement grands et à axes eaux, dans la, direction de l'allongement de la pièce.
Le deuxième phénomène, qui se produits grâce à la chaleur interne du métal, a une action opposée a celle du premier et cherche à détruire ses résultats, en tendant a donner aux grains de nouveau une forme à axes égaux et les dimensions d'origine.
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La dimension des grains répond toujours à la température finale du phénomène thermique qui vient d'avoir lieu.
Du fait que le phénomène de.la déformation à chaud dure un temps défini, souvent relativement long, et que la température @ du métal baisse au cours de cette déformation, tandis que les efforts de déformation croissent, le phénomène mécanique a la pré- pondérance par rapport au phénomène thermique, ainsi qu'on le con- state en fait en observant les dimensions des grains.
Après la fin de la déformation à chaud, lors du refroidisse- ment calme du métal, c'est-à-dire à l'abri de,toute action ou influence extérieure, il se forme des grains qui prennent des dimensions qui répondent à la température finale du phénomène qui vient de s'achever, c'est-à-dire relativement basse, les grains ayant donc des dimensions relativement réduites. ce qui précède, on est amené à constater que, pour obtenir des grains de petites dimensions, ce qui est très im- portant au point de vue de la qualité du métal, on devrait ter- miner le traitement à une température telle, pour laquelle, lors du refroidissement calme du métal, ce dernier pourrait avoir des grains de dimensions désirées.
Toutefois, un abaisse-' ment important de la température finale du traitement entraîne la perte des qualités de plasticité, nécessite des efforts de déformation considérables et, du fait des tensions internes éle- . vées, provoque de fissures.
Dans la pratique, la formation des fissures peut être observée, non seulement dans les aciers très durs ou spéciaux, mais même dans les aciers doux au carbone (avec un pourcentage de carbone inférieur, par exemple, à 0,20%) et cela aussi bien pour de,s sections réduites que pour de fortes sections.
En tenant compte des phénomènes précités, la littérature tech- nique indique, pour chaque type d'acier, en tenant compte de sa composition chimique, des températures minima, auxquelles
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le traitement à. chaud doit se terminer. Ces températures sont habituellement élevées, de telle sorte que, pour obtenir les qualités mécaniques et de structure désirées, on est amené à recourir à des traitements thermiques tels que la trempe, le recuit, etc....
Sur les diagrammes des dessins annexés, sur lesquels les temps sont portés en abscisses et les températures en ordon- nées, on a représenté schématiquement sur la figure 1 le phéno- mène de déformation à chaud.
Sur cette figure T indique la température à laquelle on commence la déformation, -t, la température finale de la déformation, le tronçon h - H, indique le temps de traitement.
@ La déformation se produit d'une façon continue entre les tempéra%ures 1 - t, la température t étant, comme il a été indiqué plus haut, assez élevée. Par conséquent, la zone des températures basses, qui a une action si favorable sur les qua- lités physiques du métal ne se trouve pas utilisée.
La présente invention a pour but de permettre l'utilisation des zones de températures plus basses que celles actuellement permises, avec toutes les conséquences favorables qui en résul- tent et dont certaines dépassent même largement, ainsi que l'a constaté l'inventeur, les prévisions permises.
L'invention vise,.en premier lieu, un nouveau procédé de déformation à chaud des métaux, permettant non seulement d'éli- miner tous les inconvénients inhérentsaux traitements à basse température, mais encore et surtout déterminant une influence considérable au point de vue des qualités physiques du métal dans le sans de l'augmentation de l'indice qualitatif, et ceci du fait de la mise en évidence de propriétés précieuses du métal sans traitement thermique.
Le procédé suivant l'invention consiste essentiellement à refroidir la pièce, préalablement chauffée de la façon ha-,
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bituelle, de manière à franchir aussi rapidement que possible le point A1 du diagramme Fer-Carbone etde procéder à la défor- mation à chaud immédiate rient après; ce qui a pour effet de don- ner au métal la propriété surprenante de pouvoir être déforme facilement même au-dessous de cette 'température critique. En effet, en procédant de cette manière, on donne au métal une plus grande plasticité, une grande tendance à s'allonger et on dimi- nue sa résistance aux efforts de déformation .
On constate donc que.grâce au procédé suivant l'invention, on arrive à déformer le métal d'une façon remarquable dans des zones de températures dans lesquelles, jusqu'à présent, le métal était pratiquement indéformable. Du fait des températures relativement basses de la déformation, la structure du métal' devient fine et il se créent des conditions pour l'abaissement de la température de la décomposition de l'austénite, les zones de concentration gamma et alpha changent, de même que les vites- ses de passage d'une phase à l'autre.
Sur le diagramme de la figure'3 on voit en T' la tempéra- ture au début du refroidissement et en t' à la fin de celui-ci.
La déformation du métal s'effectue entre t'et t", la température t" devant être supérieure à celle de la recristallisation et dépendant de la nature du métal.
Pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, il est particulièrement prévu de procéder en deux temps:
1- Déformation, ayant pour but d'amener l'ébauche' à la forme générale désirée,
2- Déformation définitive, laquelle.; tout en amenant l'ê- bauche à sa forme finale, détermine sa structure interne.
La première déformation est effectuée à des températures habituelles (élevées) . L'ébauche est chauffée à la température qui dépend de la composition chimique du métal, est maintenue à cette température le temps nécessaire pour que la masse totale du métal soit uniformément chauffée et est déformée jusqu'à la
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température habituelle, indiquée dans les ouvrages de métallur- gie, cette température étant donc @elativement élevée. Cette première déformation s'effectue donc suivant le diagramme de la figure 1.
Cette première déformation amène l'ébauche sensiblerert aux dimensions désirées, rais on laisse toutefois, suivant l'in- vention, une surépaisseur obligatoire pour la deuxième déferma- tion (déformation'qualitative).
Il y a lieu de remarquer qu'il est particulièrement prévu suivant une autre caractéristique de l'invention, de déterminer cette surépaisseur suivant, d'une pari;, la composition et la nature du métal, et, d'autre part, suivant les qualités mécaniques que l'on veut donner au métal.
La deuxième déformation (définitive) est effectuée à basses températures, ainsi qu'il a, été indiqué plus haut, de manière utiliser les qualités précieuses du métal conformé- ment au procédé de l'invention.
Dans ce but, suivant une caractéristique de 11 invention, on procède de la manière suivante:
On porte l'ébauche obtenue par la première déformation à une température, dépendant de la composition chimique du métal, mais dans tous les cas supérieure à A3 et inférieure à 1' sur le diagramme de la figure 1, c'est-à-dire à la température à laquelle on commence la première déformation. L'ébauche est maintenue à cette température jusqu'à ce que toute la masse du métal soit uniformément chauffée, ce qui a pour effet de sup- primer toutes les tensions internes, dues à la première défor- ,,nation.
L'opération suivante sonsiste à refroidir intensivement l'ébauche en l'amenant aussi rapidement que possible une température légèrement inférieure à la' température critique A1 (indiquée dans les ouvrages techniques pour toutes les qualités d'acier).
Immédiatement après cela l'ébauche est soumise à la deuxiè-
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me déformation qui l'amène aux dimensions finales.
On remarquera que la température finale de la déformation ne devra pas descendre au-dessous de la température de recris- tallisation. Pour déterminer cette température finale, on tien- dra compte de la nature du métal, ainsi que, d'une part, de la réduction de la section, c'est-à-dire de la surépaisseur et, d'autre part, des qualités mécaniques qu'on désire donner au métal.
Cette deuxième déformation (qualitative) correspond, sur le diagramme de la figure 2 au tronçon t'-t".
Pour fixer les idées, on pourra indiquer, à titre d'exem- ple, que, aussi bien pour les aciers au carbone, que pour les aciers spéciaux, la réduction de la section lors de la deuxième déformation ne dépassera pas généralement 40%.
On remarquera que les propriétés physiques résultantes du métal sont les mêmes, aussi bien dans-le cas où'les deux opérations de déformation sont effectuées immédiatement l'une aprs l'autre, que dans le cas où elles sont séparées par un intervalle de temps quelconque et ceci, aussi grand que puisse être cet intervalle ,
Il est particulièrement prévu, suivant l'invention, de débarasser la surface du métal, lors du refroidissement intensif ci-dessus de toute trace d'oxydation.
Il va de soi que les métaux de divers types réagissent différemment par rapport à la déformation "à basses températures" suivant l'invention. Ceci résulte tant de la nature métallogra- phique, que des conditions qui se trouvent crées pour tel ou autre type de métaux. Il est donc particulièrement recommandé de surveiller la température t" (figure 2) qui détermine la prépondérance de telle ou autre qualité du métal.
Les exemples qui suivent permettront de mieux,faire voir les propriétés acquises'par certains aciers déformés à chaud par le procédé suivant l'invention..
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1.- Aciers au carbone hypoeutectoldaux:
Dans les aciers de ce type avec l'augmentation de la con- centration du carbone la température de transformation baisse, la température finale t" de la déformation baisse également, la structure devient de plus en plus fine,le nombre de grains augmente et les lamelles de peilite deviennent de plus en plus fines et de plus en plus rapprochées, ce qui augmente fortement la limite élastique, tandis que le rapport E peut atteindre 90%
R avec une augmentation importante de la charge de rup- ture à la traction.
L'augmentation de ce rapport jusqu'à 100% n'est limitée que par la recristallisation, qui se produit, dans les métaux ainsi traités, à des températures encore suffisantes, de toute façon bien inférieures aux températures habituelles.
Sur le diagramme de la figure ? est indiqué la caractéris- tique des aciers au carbone à divexs ;, de carbone obtenus par le procédé de forgeage suivant l'invention et ceci avec de dif- férentes températures finales de la déformation qualitative (t") et avec la même réduction de la section transversale (38%).
Ce diagramme peut être utilisé pour montrer les qualités méca- niques résultantes du procédé pour les aciers au carbone .
Pour comparer les résultats obtenus par le forgeage suivant le procédé de l'invention et ceux obtenus par le forgeage sui- vant les procédés usuels,on examinera le tableau de la figure, sur lequel les deux premières parties les résultats obtenus pour certains aciers avec les procédés usuels et ceci après traitements theimiques, suivant les donnée de l'ouvrage "Les aciers de la fabrication française!! ( ces chiffras étant calculés suivant les de carbone indiqués), tandis que la troi- sième partie, entourée par des lignes plus épaisses, donne les résultats obtenus par le procédé suivant l'invention pour les mêmes aciers ,et ceci sans aucun traitement thermique.
La différence des résultats obtenus ressort encore plus
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clairement du diagramme de la figure 5, sur lequel les lignes épaissent- montrent les qualités mécaniques obtenues avec le procède suivant l'invention et les lignes fines les mêmes qualités correspondant à la,première partie 'du tableau de la figure 4 et ceci pour les mêmes allongements et strictions.
11.- Aciers spéciaux:
La corportement desaciers spéciaux par rapport à la déformation, "à basses températures", suivant l'invention dépend uniquement de l' influence de tel ou autre élément ajouté entrant dans la composition de l'alliage sur la température de la dé- compositior de l'aus ténite. Plus on peut abaisser cette tempe- ' - rature, pLus sera basse la température (t") de la fin de la déformation.
Il faut distinguer à ce point de vue deux groupes de base différents des aciers!
A- Groupe ayant la structure perlite-ferrite, .1:1- Groupe ayant la structure martinsitique.
Les aciers du groupe A se comportent de la même manière que les aciers au carbone hypoeutectoïdaux. Toutefois, les cour- bes représentant les modifications des propriétés mécaniques pour les diverses températures finales'de la déformation (t") sont plus douces que dans le cas des aciers au carbone. Ces aciers p,ossèdent des propriétés de plasticité élevées, même à des températures plus basses. Leur structure est tellemn fine que le rapport E atteint 95)1, (par exemple pour un acier de
R composition 0,12 C - 1,58 Ni - t" = 300 C.).
Pour comparer les résultats des phénomènes de déformation à chaud usue.ls et celui suivant l'invention, on se rapportera à la figure 6 pour l'acier au nickel.
Lesaciers au nickel-chrome avec un contenu faible de
Ni et de Cr viennent se situer entre les deux groupes A et B.
En d'autres termes, ils se comportent, d'une part, comme des aciers au carbone ou au nickel et, d'autre part, comme des aciers du grpupe B, les conditions de refroidissement inter-
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venant pour déterminer leur comportement. Sur les figures 7 et 8 on a montré les qualités mécaniques obtenues pour les aciers du groupe indiqué.
Les aciers les plus répandus sont des aciers spéciaux avec une structure résultante martinsitique. avec ces aciers l'austénite peut être amenée, même avec un refroidissement re- lativement lent, dans des zones de tempér tures tellement bas- ses que la transformation ne peut se produire que suivant le type de martinsite.
Toutefois, la déformation à basse température suivant l'invention orée des conditions dans lesquelles la martinsite change complètement sa nature et diffère absolument de la mar- tinsite obtenue par trempe, cette structure pouvant être dénom- mée "néomartinsite".
Un acier traité par le procédé de l'invention, avec une structure de néomartinsite possède fautes les propriétés des aciers de haute qualité ayant subi des traitements ther- miques (trempe, revenu). Ainsi, par exemple, l'acier ayant la composition
0,32 C - 0,58 Mn - 1,03 Cr - 5,04 Ni pour une température t" = 480 C., pour R = 186, 3 kgs/mm2 présente :
Allongement = 8,3%
Striction = 31,3% Résilience 6,18 kgs/cm2
De ce qui précède, on voit le rôle joué par la valeur de la température finale de la déformation (t") sur les propriétés mécaniques et physiques du métal.'
La même importance présente également la valeur de la réduction de la section d3 l'ébauche. La charge à la rupture et la limite d'élasticité croissent avec l'augmentation de la réduction de la section, tandis que déc@issent l'allongement et la striction.
Ainsi, on obtient une analogie complète avec l'influence de la température t", de telle sorte qu'on peut
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remplacer la réduction nécessaire de la section par une tempé- rature (t") appropriée de la fin de la déformation et vice-versa (voir figure 9).
On peut utiliser cette propriété pour obtenir des pièces dont diverses sections ont des duretés différentes.
Du fait que par la déformation à chaud dans des zones de basses températures suivant l'invention on obtient, d'une part, des structures uniformes à grains fins, et, d'autre part, des qualités mécaniques élevées, il devient inutile de soumettre-les pièces ainsi traitées à des traitements thermiques ultérieure.
Seuls les aciers du groupe présentant une structure néomartin-, sitiqua montrent, une certaine diminution de l'allongement, de la striction et de la résilience et de ce fait peuvent être soumis à un revenu ultérieur, qui diffère, d'ailleurs, des' revenus classiques,. nécessaires pour les mêmes aciers déformée à chaud à des températures élevées habituelles.
La grande uniformité de la structure, et cala dans toutes les directions, ainsi que l'absence des tensions internes, rendent le métal sain et toutes les causes de formation de fissures disparaissent. Une autre propriété précieuse des métaux traités par le procédé suivant l'invention est l'aptitude de- conserver, lors de chauffages aux températures dangereuses 300 -400 C.), des qualités mécaniques qui ne sont nullement affectées par un tel ohauffage.
Sur la figure 10 on a indiqué les'caractéristiques mécaniques de trois types d'acier à 350 C..
Grâce à la grande uniformité de structure du métal déformé à chaud à basse température suivant l'invention, ce métal se prête merveilleusement, dans bien des cas, à l'usinage par en- lève ment de copeaux.
Ainsi, on a constaté, qu'un-certain acier, lequel, après le forgeage suivant l'invention, présente R = 180 kgs/mm2 se prêté à l'usinage à la même vitesse et avec la même section de copeau qu'.un acier présentant R = 65-70 kgs/mm2, mais obtenu
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par les procédés habituels.
Grâce au fait que la déformation qualitative a lieu basses températures, la surépaisseur pour l'usinage peut être sensiblement diminuée, ce qui a comme avantage de réduire le poids de l'ébauche et le temps d'usinage et, par conséquent, son prix.
Le procédé suivant l'invention est applicable dans toux les cas où le métal subit une déformation à chaud et ceci quelle que soit la nature du travail mécanique (par exemple, forgege, laminage, filage,etc...) Le procédé peut même être appliqué dans certains cas de pièces coulées pour obtenir une amélioration des qualités du métal.
Dans tous les. cas, l'application du procéda suivant l'invention détermine une obtention de qualité mécaniques et physiques élevées.
On remarquera particulièrement que le procède suivant l'invention permet d'éviter les traitements thermiques onéreux.
Le procédé suivant l'invention permet l'obtention de piè-
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rsectiOl1S ces dont diversesfprésentent des duretés différentes.
Il permeten outre, et ceci présente un intérêt particu- lièrement remarquable', de remplacer les aciers de haute qualité, très chers, par des aciers moins chers.
En plus, les métaux traités suivant le procédé de l'inven- tion gardent leurs propriétés mécaniques et physiques p.ur des températures relativement élevées.
Parmi d'autres, nombreux avantages du procédé, on remar- quera encore particulièrement la facilité d'usinage par enlève- ment de copeaux. La diminution des snrépaisseurs d'usinage et par conséquent du temps d'usinage, ainsi que du poids des ébau- chas.
Il doit être bien entendu que l'invention n'est nullement limitée à un type quelconque de métal, ni à un travail mécanique déterminé, ni à, des températures déterminées de déformation, ni enfin à une succession précise d'opérations.
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elle vise, de la faon la plus générale, en premier lieu, un procédé de déformation à chaud de métaux consistant à re- froidir le métal porté à une température élevée, dépendant de la nature du nét.l, assi rapidement que possible, dans l'in- tervalle de températures critiques du diagramme Fer-Carbone et de prooéder à la déformation à chaud immédiatement après,
ce qui a pour effet de donner au métal la propriété surprenante de pouvoir être déformé facilement marne au-dessous de cet in- tervalle critique. lle vise en outre certains modes de réalisation et de mise en oeuvre de ce procédé et notamment le.procédé consistant à réaliser la déformation à chaud en deux temps, le premier oon- sistant à déformar le métal à toutes températures habituelles . de manière à amener l'ébauche aux dimensions de la pièce à obtenir, plus une certaine surépaisseur (déformation "quantita- tive") et, le deuxième, consistant, après la suppression des tensions inteines par un chauffage, suivi d'un refroidissement intense, à terminer la déformation à basses températures confor- mément à l'idée essentielle da l'invention (déformation "quali- tative") .
Elle vise, en plus, et ceci à titre de produits industriels nouveaux, toutes pièces métalliques obtenues par le procédé sui- vant l'invention.
Elle vise enfin, et ceci également à titre de produits industriels nouveaux, toutes pièces métalliques obtenues par le procédé ci-dessus et présentant sans traitement thermique habi- tuel au moins certaines des propriétés mécaniques et physiques supérieures à celles des pièces faites en métaux de même com- position chimique, mais traitées par les procédés habituels sui- vis d'un traitement thermique.