<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention est relative à l'amélioration des propriétés mécaniques et physiques de l'acier dans un procédé qui peut être utilisé dans le finissage à froid de l'acier, par exemple le finissage à froid de barres, tiges, fils, tubes et au- tres produits de l'acier.
Un but de la présente invention est de procurer un procédé de production de produits d'acier finis à froid, ayant de nouvelles propriétés physiques améliorées, et de procurer un
<Desc/Clms Page number 2>
nouveau'produit d'acier amélioré ayant des combinaisons caractéris- tiques qui diffèrent de celles des aciers qui ont été produits jusqu'à présent.
En particulier, un but de la présente invention est de procurer un procédé applicable au traitement métallurgique d'un acier laminé à chaud, tel qu'un acier du type qui durcit avec con- traintes ou qui durcit par une sorte de précipitation lorsqu'il est travaillé à des températures élevées, pour améliorer les pro- priétés physiques et mécaniques de l'acier.
Le présent brevet concerne des améliorations, no- tamment à l'objet du brevet belge n 549.993 du ler août 1956.
Dans ce dernier brevet, on présente un nouveau con- cept perfectionné pour l'amélioration des propriétés physiques et mécaniques de l'acier par la combinaison de phases comprenant l'avancement de l'acier à travers une filière pour réaliser une réduction de sa section transversale, tandis qu'il se trouve à une température de la gamme allant de 200 F jusqu'à la plus basse tem- pérature critique pour la composition de l'acier. Cette phase est appelée ci-après phase de réduction à température élevée, qui est mise en oeuvre en traitant l'acier pour réaliser une réduction de sa section transversale, tandis qu'il se trouve à une température de la gamme allant de 200 F à 1100-1200 F.
Suivant ce brevet belge, la température utilisée dans la phase de réduction à tem- pérature élevée influence l'allure des améliorations assurées aux propriétés physiques et mécaniques de l'acier. En réglant la tem- pérature, la chimie et l'importance de la réduction, il devient possible de faire varier sélectivement les propriétés physiques et mécaniques développées dans l'acier. Les propriétés peuvent être modifiées sur une gamme assez large, tout en améliorant l'uniformi- té des caractéristiques physiques et mécaniques développées dans les aciers de la même chimie de chaleur à chaleur, à distinguer des larges variations qui existent normalement dans les aciers la-
<Desc/Clms Page number 3>
minés à.chaud.
On a maintenant trouvé que les niveaux élevés de résistance, assurés par une réduction des aciers à température é- levée, comme défini dans le brevet-belge précédent, peuvent être maintenus, en même temps que beaucoup d'autres améliorations ren- dues disponibles dans les aciers par la phase de réduction à tem- pérature élevée, et que d'autres améliorations encore peuvent être apportées aux propriétés physiques et mécaniques de l'acier pour produire des nouveaux produits améliorés de l'acier, lorsqu'on utilise la combinaison de phases comprenant un traitement thermi- que de l'acier après la phase de réduction à température élevée.
Telle qu'elle est utilisée ici, l'expression " trai- tement thermique ", après la réduction à température élevée est destinée à signifier :
1. Un recuit de l'acier, après la phase de réduction à tempé- rature élevée, par chauffage de l'acier jusqu'à une température de recuit ou jusqu'à une température de l'ordre de 1400 à 1500 F, suivi par un lent refroidissement, par exemple à l'air, jusqu'à la température ambiante, similaire à la phase de recuit utilisée avant la réduction à température élevée.
2. Une normalisation de l'acier, après la phase de réduction à température élevée, par chauffage de l'acier jusqu'à une tempé- rature de normalisation ou jusqu'à une température comprise entre 1300 et 1500 F, suivi d'un refroidissement rapide de l'acier jusqu'à la température ambiante, similaire à la phase de normali- sation employée avant la réduction à température élevée.
3. La production d'un changement de phase dans l'acier, après l'étape de réduction à température élevée, par chauffage de l'acier, jusqu'à une température supérieure à la gamme de températures de transformation, à savoir jusqu'à une température de l'ordre de 1500 -1600 F, et ensuite refroidissement brusque de l'acier jus- qu'à la température ambiante.
<Desc/Clms Page number 4>
4.'La production d'un changement de phase dans l'acier, après l'etape de réduction à température élevée, par exemple par chauf- fage de l'acier jusqu'à une température supérieure à la gamme'de températures de transformation, par exemple jusqu'à une tempéra- ture de l'ordre de 1500 à 1600 F, le refroidissement brusque de l'acier austénitisé et ensuite le revenu de l'acier refroidi brus- quement, par rechauffage de l'acier.
5. Le traitement de l'acier, après la phase de réduction à température élevée, par chauffage de l'acier jusqu'à une-températu- re supérieure à la gamme de températures de transformation, par exemple jusqu'à une température de l'ordre de 1500 à 1600 F, sui- vi par un refroidissement brusque partiel jusqu'à une température de la gamme allant de 200 F jusqu'à la plus basse température critique pour la composition de l'acier.
6. Une trempe dite martensitique (martempering) de l'acier, après réduction à température élevée, comme par chauffage de l'a- cier jusqu'à une température supérieure à la gamme de températures de transformation et ensuite refroidissement brusque de l'acier dans un bain maintenu à une température inférieure à la gamme Ms, jusqu'à ce qu'une transformation ait été réalisée jusqu'à la struc ture martensitique, après quoi l'acier peut être refroidi jusqu'à ' la température ambiante.
7. Une trempe dite austénitique (austempering) de l'acier après réduction à température élevée, par chauffage de l'acier jusqu'à une température supérieure à la gamme de températures de transformation, par exemple jusqu'à une température de la gamme de 1500 à 1600 F, suivi par un refroidissement brusque de l'acier dans un bain maintenu à une température légèrement supérieure à la gamme Ms, et du type qui provoque l'enlèvement de chaleur, hors de l'acier, à une vitesse qui empêche le passage de l'acier à tra- vers une gamme austénitique, comme, par exemple, lorsque l'acier est refroidi brusquement dans un bain de sel maintenu à une tem-
<Desc/Clms Page number 5>
perature de 640 F, avec ensuite un .refroidissement brusque jus- qu'à la. température-ambiante après que la:
température de .l'acier est devenue uniforme à la valeur de température du premier refroi- dissement brusque.
8. Le traitement, de. l'acier par transfert ,à diffusion, comme, par exemple, dans, les procédés de carburation, de nitruration, de cyanuration, de chromation et de carbonitruration de l'acier, après que celui-ci a été traité jusqu'à la phase de. réduction à tempéra- ture élevée,.,.'
On croit que la phase de réduction à température élevée permet la réalisation de là rédution désirée, tandis que l'àcier se trouve dans un état mou ou facile à étirer, et que cet- te réduction à température élevée affecte la dimensions des grains austénitiques, la gamme de températures de transformation et la plus basse température critique, et qu'elle a également un certain effet sur le réglage de la température d'austénitisation subséquen- te et la gamme de températures Ms de l'acier traité.
0'est ainsi que les caractéristiques de l'acier sont modifiées par une réduc- tion à température élevée, de telle sorte qu'un traitement thermi- que ultérieur par les techniques décrites tend à produire un nou- veau produit d'acien amélioré ayant des propriétés et caractéris- tiques nouvelles et différentes, ainsi que de nouvelles combinai- sons de celles-ci, comparativement aux. aciers des types qui ont jusqu'à présent été produits par des techniques et procédés habi- tuels divers.
Telle qu'utilisée ici, l'expression " propriétés physiques et mécaniques " est destinée à englober la résistance à la traction, la limite élastique, l'aptitude à l'usinage, la dureté, la ductilité,.'l'allongement, la contrainte résiduaire, le facteur de gauchissement, etc. On a trouvé, par exemple, que les caractéristiques d'aptitude à l'usinage de l'acier et que des pro- priétés, belles que la résistance à la traction, la limite élasti-
<Desc/Clms Page number 6>
que, la'limite proportionnelle, la résistance aux chocs et la dure- té sont améliorées par réduction à température élevée, et que ces propriétés sont rendues maxima , lorsque la phase de réduction à température élevée est réalisée, tandis que l'acier se trouve à une température de l'ordre de 460 à 850 F.
Et même à l'intérieur de cette gamme particulière de températures, on a trouvé que la résistance à la traction, la limite élastique et la limite propor- tionnelle seront rendues maxima lorsque la phase de réduction à température élevée est réalisée tandis que.l'acier se trouve à une température de l'ordre de 450 à 600 F ; les améliorations les plus remarquables des propriétés physiques de l'acier,-par exemple l'allongement, la réduction de section et la résistance aux chocs, seront rendus maxima lorsque la phase de réduction à température élevée est réalisée tandis que l'acier se trouve à une températu- re de l'ordre de 600 à 850 F.
Ces mêmes concepts tendent à se présenter dans le procédé de la présente invention, dans lequel la phase de réduction à température élevée décrite est utilisée avant . un des traitements thermiques décrits, de sorte que de nouvelles modifications et améliorations encore des caractéristiques et pro- priétés de l'acier soit assurées.
A côté et en plus des améliorations décrites des propriétés physiques et mécaniques, la phase de réduction à tempé- rature élevée procure un moyen grâce auquel un contrôle avantageux peut être procuré sur les caractéristiques de contraintes qui se développent dans les produits d'acier.
Lorsque, par exemple, l'a- cier est avancé à travers une filière pour réaliser la réduction de sa section transversale, durant que cet acier se trouve à une température excédant 650 F, de préférence une température supé- rieure à 8500 F, mais inférieure à la plus basse température cri- tique pour la composition de l'acier, la grandeur des contraintes résiduaires développées dans l'acier peut être sérieusement réduite
<Desc/Clms Page number 7>
et le type de contraintes résiduaires peut être réglé pour donner des produits d'acier qui ont des caractéristiques grandement amé- liorées de gauchissement et une distribution beaucoup plus unifor- me des contraintes sur la section transversale de l'acier.
La réduction marquée de la valeur de gauchissement, assurée lorsque l'acier est réduit à température élevée, permet la production d'aciers ayant des propriétés physiques et mécani- ques améliorées et des valeurs de contraintes résiduaires aussi basses ou plus basses que celles qui ont, jusqu'à présent, pu être développées par l'utilisation de phases soulageant les contraintes après étirage ou procédé de réduction équivalent.
Il est possible de produire des aciers ayant des contraintes de compression, à dis- tinguer des résistances à la traction, lorsque l'acier est avancé à travers une filière pour réaliser une réduction de sa section transversale; pendant qu'il est à une température supérieure à
800 F mais inférieure à la plus basse température critique et lors- que l'acier est rapidement refroidi, par exemple par refroidisse- ment brusque, immédiatement après la phase de réduction à tempéra- ture élevée.
L'allure des améliorations des propriétés physiques et mécaniques et le degré d'amélioration de l'une quelconque des propriétés sont influencés jusqu'à un certain point par la tempé- rature de l'acier que l'on réduit, la chimie de l'acier et la quantité de réduction qui est réalisée, ainsi que le type de trai tement thermique qui est employé après la phase de réduction à température élevée.
Les concepts de la présente invention peuvent être mis en pratique avec des aciers classés d'une façon très générale comme aciers du type caractérisé par l'aptitude à durcir avec con- traintes et à durcir par une sorte de précipitation lorsqu'ils sont travaillés à une température élevée. Comme types de cette classe d'aciers, on a les aciers non austénitiques ayant une struc.
<Desc/Clms Page number 8>
ture perlitiqu dans une matière de ferrite à l'état libre, et les aciers qui sont designés comme aciers faciles à étirer. Ces aciers peuvent se distinguer des aciers fortement alliés ou des aciers pour outils au carbone, on aciers rapides difficiles à éti- rer. Les aciers traités suivant ll'invention peuvent être sous for- me de barres, tiges, fils, tubes, etc.
Pour réaliser une réduction à température élevée, les aciers peuvent être avancés à travers une filière, telle qu' une filière d'étirage, une filière d'extrusion, ou une filière de cylindrage, pour réaliser la réduction de la section transversale.
Bien que le procédé de cylindrage ne soit pas équivalent au procé- dé d'étirage ou d'extrusion dans une opération de finissage à froid, on a trouvé que beaucoup de caractéristiques et propriétés pouvant être développées par étirage ou extrusion à température élevée sont également obtenues dans des aciers qui sont traités dans une opération de cylindrage durant que l'acier se trouve à un température de la gamme allant de 200 F à la plus basse tempéra- ture critique pour la composition de l'acier.
Les concepts de la présente invention seront illus- trés par deux cycles de procédé différents. Le premier se fera à température élevée, suivi d'une austénitisation et d'un refroidis- sement brusque. On se référera à deux aciers qui peuvent être con- sidérés comme représentatifs des aciers qu'on peut employer dans la mise en oeuvre de l'invention.
Ces aciers représentatifs seront désignés ci-après par C-1144 et 4140 ayant l'analyse suivante de coulée, les principaux ingrédients autres que le fer étant les suivants :
EMI8.1
<tb> C <SEP> h <SEP> i <SEP> m' <SEP> i <SEP> e
<tb>
EMI8.2
Type Chaleur Nombre C -7,in-ij B Si CI - ivio -------------------------------------------------------¯.¯------
EMI8.3
<tb> C-1144 <SEP> Limite <SEP> 57357 <SEP> 0,45 <SEP> 1,51 <SEP> 0,018 <SEP> 0,28 <SEP> 0,22 <SEP> - <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> élastique
<tb>
EMI8.4
4140 Limite 55865 0.43 0, $$ 0, Ol$ G, flz0 p, 26 0, $6 o>18
EMI8.5
<tb> élastique
<tb>
<Desc/Clms Page number 9>
P R O C L D E
Les barres d'acier laminées à chaud, telles que re- çues, étaient nettoyées par décapage à l'acide sulfurique et trai- tées à la chaux pour empêcher l'oxydation.
Les barres laminées à chaud, nettoyées et traitées à la chaux étaient chauffées jusqu'à une température élevée en vue de leur avancement à travers une filière d'étirage pour réali- ser une réduction de leur section transversale, l'acier se trou- vant à une température de la gamme allant de 200 F à la plus bas- se température critique pour la composition de l'acier. Dans l'il- lustration de la mise en oeuvre de l'invention, la phase de réduc- tion à température élevée était réalisée, tandis que l'acier se trouvait à deux températures représentatives de la gamme décrite.
L'acier était chauffé jusqu'à la température désirée pour la phase de réduction par un four de chauffage courant quelconque.
L'acier, à la température élevée désirée, était en- suite lubrifié avec un composé d'étirage courant et avancé à tra- vers la filière d'étirage pour réaliser une réduction représenta- tive de sa section. L'acier 1144 d'une section initiale de 5/8 de pouce recevait une réduction de 21.6 %, tandis que l'acier 1140 d'une section initiale de 11/16 de pouce recevait une réduction de 19,9 %.
Après la phase de réduction à température élevée, les aciers étaient'chauffés jusqu'à une température d'austénitisa- tion pendant une heure. La température employée était de 1500 F, et les aciers austénitisés étaient ensuite refroidis brusquement dans l'huile jusqu'à la température ordinaire.
TABLEAU I 0-1144 - étiré pour subir une réduction de 21,6% - austénitisé à 1500 F pendant 1 heure ...
- refroidi brusquement jusqu'à la température ambian- te.
<Desc/Clms Page number 10>
EMI10.1
<tb>
Températu- <SEP> Températu-Résistan- <SEP> Impact <SEP> Dureté <SEP> Gauchis-
<tb>
<tb>
<tb> re <SEP> d'étira-re <SEP> d'au- <SEP> ce <SEP> à <SEP> la <SEP> d'Izod <SEP> sement
<tb>
<tb>
<tb> ge <SEP> sténitisa-traction <SEP> 70 <SEP> F. <SEP> S <SEP> MR <SEP> C
<tb>
<tb>
<tb> tion <SEP> pieds-
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> F. <SEP> <SEP> F. <SEP> 1. <SEP> p. <SEP> c.
<SEP> livres
<tb>
<tb> ------------------------------------------------------------------
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Laminé <SEP> à
<tb>
<tb>
<tb> chaud <SEP> 1500 <SEP> 224.000 <SEP> 11,7 <SEP> 597 <SEP> 475 <SEP> 473 <SEP> + <SEP> 0,127
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Etiré <SEP> à
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> froid <SEP> 1500 <SEP> 294.000 <SEP> 12 <SEP> 610 <SEP> 642 <SEP> 610 <SEP> + <SEP> 0,208
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 590 <SEP> 1500 <SEP> 254.000 <SEP> 10,7 <SEP> 626 <SEP> 531 <SEP> 531 <SEP> + <SEP> 0,223
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1000 <SEP> 1500 <SEP> 248.500 <SEP> 4,7 <SEP> 619 <SEP> 515 <SEP> 502 <SEP> + <SEP> 0,181
<tb>
TABLEAU II 4140 - étiré pour subir une réduction de 19,9 % - austénitisé à 1500 F pendant 1 heure - refroidi brusquement jusqu'à température ambiante.
EMI10.2
<tb>
Tempéra- <SEP> Températu- <SEP> Résistan- <SEP> Impact <SEP> Dureté <SEP> Gauchis=
<tb>
<tb> ture <SEP> d'é- <SEP> re <SEP> d'au- <SEP> ce <SEP> à <SEP> la <SEP> d'Izod <SEP> sement
<tb>
<tb> tirage <SEP> sténitisa- <SEP> traction <SEP> 70 <SEP> F.
<tb>
<tb> tion <SEP> pieds-
<tb>
<tb> <SEP> F. <SEP> <SEP> F. <SEP> 1. <SEP> p. <SEP> c. <SEP> litres <SEP> S <SEP> MR <SEP> C
<tb>
EMI10.3
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯.
EMI10.4
<tb> laminé <SEP> à
<tb> chaud.
<SEP> 1500 <SEP> 205.000 <SEP> 23,7 <SEP> 636 <SEP> 429 <SEP> 438 <SEP> 0,263
<tb>
<tb> Etiré <SEP> à
<tb> froid <SEP> 1500 <SEP> 256.500 <SEP> 25,3 <SEP> 636 <SEP> 502 <SEP> 479 <SEP> + <SEP> 0,211 <SEP>
<tb>
<tb> 640 <SEP> 1500 <SEP> 216.000 <SEP> 32,3 <SEP> 626 <SEP> 429 <SEP> 402 <SEP> + <SEP> 0,298
<tb>
<tb> 1000 <SEP> 1500 <SEP> 204.000 <SEP> 29,7 <SEP> 619 <SEP> 429 <SEP> 386 <SEP> + <SEP> 0,256
<tb>
Le procédé de libération ou d'allégement des contrain- tes après étirage à température élevée est également inclus forme les procédés de traitement thermique après étirage à température élevée. Ce cycle, représentatif de l'invention, sera illustré en utilisant l'acier 0-1144 ci-avant.
L'acier, après décapage et traitement à la chaux, était étiré à des températures élevées, admis à refroidir jusqu'à, la température ambiante et réchauffé ensuite jusqu'à la températu- re de libération des contraintes. Les tableaux III et IV illus- treront les résultats obtenus en utilisant un tel cycle avec deux pourcentages différents de réduction de section.
<Desc/Clms Page number 11>
TABLEAU III Acier C-1144- étiré pour subir une réduction de 20,3 %.
EMI11.1
<tb>
Températu- <SEP> Températu- <SEP> Résistance <SEP> Limite <SEP> Allonge- <SEP> Réduction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> re <SEP> d'éti- <SEP> re <SEP> de <SEP> li- <SEP> à <SEP> la <SEP> trac- <SEP> élastique <SEP> ment <SEP> de <SEP> section
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> rage, <SEP> bération <SEP> tion <SEP> 1. <SEP> p. <SEP> c. <SEP> % <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> des <SEP> con- <SEP> 1. <SEP> p. <SEP> c..
<tb>
<tb>
<tb> traintes,
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> F. <SEP> <SEP> F.
<tb>
<tb>
<tb>
------------------------------------------------------------------
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 700 <SEP> - <SEP> 145.000 <SEP> 144.000 <SEP> 9,5 <SEP> 34
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 700 <SEP> 1000 <SEP> 130.000 <SEP> 110.000 <SEP> 15 <SEP> 40
<tb>
TABLEAU IV Acier C-1144- étiré pour subir une réduction de 35,6 %
EMI11.2
<tb> Températu- <SEP> Températu- <SEP> Résistance <SEP> Limite <SEP> Allonge- <SEP> Réduction
<tb>
<tb>
<tb> re <SEP> d'éti- <SEP> re <SEP> de <SEP> li- <SEP> à <SEP> la <SEP> trac- <SEP> élastique <SEP> ment <SEP> de
<tb>
<tb> rage, <SEP> bération <SEP> tion <SEP> section
<tb>
<tb> des <SEP> con-
<tb>
<tb> traintes,
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> F. <SEP> <SEP> F. <SEP> 1. <SEP> p. <SEP> c. <SEP> 1. <SEP> p. <SEP> c.
<SEP> %
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 700- <SEP> 156.000 <SEP> 145.000 <SEP> 11,5 <SEP> 29
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 700 <SEP> 1000 <SEP> 141.000 <SEP> 120.000 <SEP> 11 <SEP> 35
<tb>
Il sera entendu que d'autres températures que cel- les illustrées auxx tableaux III et IV peuvent être utilisées dans l'invention et un cylindrage de l'acier peut être réalisé à la tem- pérature élevée pour donner des résultats similaires bien que non identiques.
Il sera évident des exemples ci-avant que des aciers ayant des propriétés nouvelles et différentes sont procu- rés par le traitement des aciers en vue de réaliser une phase de réduction à température élevée, suivie par un traitement thermique, tel qu'une austénitisation et un refroidissement brusque, un al- légement des contraintes, etc. Des aciers ayant des caractéristi- ques de contraintes réduites et des résistances améliorées aux chocs sont obtenus, tout en maintenant les niveaux de résistances de l'acier à une valeur élevée.
Il sera entendu que des modifications peuvent être apportées aux détails en ce qui concerne les méthodes de chauffage et de refroidissement de l'acier, ou aux techniques de traitement
<Desc/Clms Page number 12>
des aciers par les diverses phases de la mise en oeuvre de l'in- vention, et ce sans se départir du cadre, de celle-ci.
REVENDICATIONS
1. Le procédé métallurgique de traitement de l'acier qui comprend le cylindrage ou l'avancement de l'acier à travers u- ne filière pour réaliser une réduction de sa section transversale, tandis qu'il se trouve à une température élevée de la gamme allant de 200 F jusqu'à la plus basse température critique pour la compo- sition de l'acier, et ensuite un traitement de l'acier après la phase de réduction à température élevee.