Procédé de traitement thermique des aciers. La trempe des aciers, qui a pour but d'en augmenter la dureté, et en général,d'amé- liorer les caractéristiques mécaniques du mé tal, a pour conséquence de développer au sein de la matière des tensions internes. Celles-ci sont provoquées non seulement par la conser vation à la température ordinaire de l'équi libre stable à haute température, mais encore par un phénomène purement physique résul tant du refroidissement brutal de la pièce préalablement chauffée à la température du rouge.
Afin d'atténuer dans une certaine mesure la fragilité consécutive à cet état d'équilibre instable à basse température, il est de pra tique courante de faire un réchauffement à une température variable mais toujours infé rieure à celle de la trempe.
Cette température dite de #revenu" tient compte de la compo sition chimique du métal trempé, de l'intensité du phénomène de trempe préalable, pouvant aller de la structure sorbitique à la structure austénitique, et tient compte enfin dans une certaine mesure de la forme particulière des pièces, des outils ou autre matériel à traiter, de façon à réaliser une adaptation judicieuse des nouvelles propriétés,du métal, au travail qu'il devra fournir.
Ce traitement de revenu est effectué géné ralement par chauffage au moyen de fours à sale, à bains de sel ou de plomb fondu ou d'huile, chauffés à une température contrôlée, dans lesquels on. introduit les pièces. L'é chauffement se développe alors progressive- ment par suivant des surfaces isothermes de l'extérieur à l'intérieur de la pièce.
Il s'ensuit dès lors que l'évolution diffé rentielle . des. transformations physico- chimiques résultant,des écarts -de température instantanés au sein de la pièce, crée des ten sions nouvelles qui ne jouent pas nécessaire ment dans un sens favorable à la destruction des tensions de trempe, surtout lorsqu'il s'agit d'aciers hypereutectiques à teneur élevée en alliages, tels que: le molyb@dène, le tungstène, le chrome, le vanadium, etc.
En effet, la transformation descendante martensite-troostite s'opérant avec diminu tion de volume, les couches superficielles atteintes les premières subissent une contrac tion qui les soumettrait à un effort d'éclate ment si la dilatation physique ne venait la compenser dans une certaine mesure, tant que le métal se trouve à la température de re venu.
Si le phénomène du revenu, qui est essen tiellement quantitatif, n'a pas été réalisé de façon à atteindre en profondeur un état de stabilité physico-chimique suffisant, le métal peut donner lieu à des fissures, appelées cou ramment des #tapures".
Ces #tapures" peuvent se produire, soit spontanément au cours du refroidissement, soit même ultérieurement sous l'influence de légers chocs, ou même de simples variations répétées de température.
Lorsqu'une pièce en acier hypereutectique n'exige pas pour son emploi une résistance supérieure à 180 à 300 hg par mmê, le revenu peut être fait à une température suffisam ment élevée pour donner aux couches super ficielles du métal une faculté d'allongement et de déformation susceptible (le résorber les anomalies citées plus haut. Si, au contraire, l'emploi de la pièce exige une résistance su périeure à 200 kg par mmê, le revenu res treint à lui faire subir laisse subsister des tensions latentes qui arriveront à se libérer, soit lentement par viellissement naturel, soit brusquement par éclatement, sous forme de tapures.
La présente invention a donc pour objet un procédé de traitement thermique permet tant d'obtenir artificiellement un vieillisse ment accéléré, libérant le métal de ses ten sions de trempe.
Ce procédé est caractérisé par le fait que l'acier à vieillir, après sa trempe, est soumis à l'action d'un champ magnétique oscillant, sa température étant élevée à un point non supérieur au point de transformation Ac1 L'échauffement de la pièce peut être pro duit, soit d'une manière quelconque, immer sion dans un bain d'huile, passage dans une étuve, etc., soit mieux encore, par effet d'in duction dû au circuit de production du champ magnétique oscillant.
Les fréquences des champs magnétiques oscillants utilisés peuvent aller jusqu'à 100.000 périodes par seconde, dans le cas de pièces de petites dimensions.
Le vieillissement artificiel ainsi obtenu peut se substituer avantageusement au revenu habituel des aciers après trempe, en ayant l'avantage sur celui-ci de détruire les tensions internes de trempe, sans abaissement corré latif de dureté.
Voici, à titre d'exemple, comment le pro cédé faisant l'objet de l'invention peut être exécuté en pratique: On utilise un four à haute fréquence, cons titué d'une enceinte cylindrique horizontale dite #chambre de traitement", dans laquelle sont acheminées les pièces à traiter. L'avance ment de celle-ci se fait de préférence méca niquement pour permettre le réglage aussi précis que possible de la vitesse de passage.
Les pièces s'échauffent sous l'effet du courant d'induction dû au champ magnétique oscillant auquel elles sont soumises, pendant toute la durée du passage dans l'appareil.
On a remarqué au cours d'expériences qu'il suffisait dans certains cas d'un échauf fement voisin de 130 C, pour obtenir la des truction presque totale des tensions et amé liorer déjà d'une façon très sensible le ren dement d'organes mécaniques soumis à un taux de travail élevé.
Egalenient â titre d'exemple, on peut citer le résultat obtenu sur des pièces cylindriques de<B>50</B> mm<B>de</B> diamètre, sur 1_-10 mm de lon gueur en acier extra-dur au tungstène-chrome.
L a trempe avait été effectuée à une tem pérature irteiitionnellement plus élevée que la température normale, de façon à exagérer les tensions de trempe.
Lu. moitié de ces pièces dont la. dureté après trempe était de 683 Brinell, avaient subi un revenu à 1.6(). et l'autre moitié à. 130 , dans l'appareil à haute fréquence.
Os? avait, afin de mettre en évidence l'ef ficacité du procédé, fait subir à ces pièces des échauffements et des refroidissements alter nés, dans le but de favoriser le développe ment des tapures.
Les pièces traitées par revenu à 160 ont cassé: 6 après le troisième refroidissement, 2 après le huitième refroidissement.
Les pièces traitées par revenu à 120 ont cassé: 1 après le quatrième refroidissement, 2 après le neuvième refroidissement. Les autres pièces, sur 10 de chaque série, ayant résisté après 15 traitements consécutifs de réchauffement et de refroidissement. Suivant le genre de pièces à traiter, on peut utiliser des dispositifs particuliers s'ins pirant de la nécessité de chauffer le plus ré gulièrement et le plus uniformément possible. Il convient au préalable de passer quel ques pièces et de mesurer leur température à la sortie.
La mesure de la température à la sortie devra se faire par un procédé calorimétrique qui permettra de déterminer la pénétration en profondeur de la chaleur. Il suffira, par exemple, de mesurer l'élévation comparée de température d'une même quantité d'un liquide quelconque dans lequel on aura immergé une pièce étalonnée en température.
L'appareillage électrique qui peut être uti lisé pour l'exécution du procédé peut être le suivant: Un circuit comprenant une batterie de condensateurs et une self est périodiquement interrompu par un éclateur tournant constitué par des plateaux mobiles portant des élec trodes pleines se déplaçant entre des élec trodes fixes réglables et refroidies par circu lation d'eau. On obtient ainsi un courant à haute fréquence (c'est à-dire supérieure à 15.000 périodes par seconde) par la décharge de la batterie de condensateurs; la périodicité de la décharge est assurée par l'éclateur tour nant. Un champ magnétique à haute fré quence est ainsi obtenu.
Ce circuit comprend également un enrou lement servant à produire l'échauffement des pièces par induction dans le four; ainsi le dispositif de chauffage du four fait partie du circuit de génération du champ magné- tique oscillant.
Le four comporte trois zones: La première assurant un léger préchauf fage d'acclimatation, La deuxième réalisant le traitement pro prement dit, La troisième permettant une stabilisation judicieuse -de la température des pièces avant la sortie.
La réalisation pratique de ces trois phases de traitement peut se faire au moyen d'un four horizontal en utilisant comme guidage une rigole semi-circulaire en un métal non magnétique. Le réglage @de la fréquence est obtenu par la self de chauffage.
On a constaté que le traitement décrit assure une amélioration importante des pro priétés mécaniques d'ensemble du métal, et en particulier de l'élasticité et de la résilience, sans diminuer la dureté. Il s'applique plus particulièrement aux aciers très durs, devant conserver après traitement thermique le maxi mum -de dureté avec le minimum de fragilité.
Par son principe même, le procédé décrit assure au métal le bénéfice @du "vieillisse ment", en ouvrant ainsi un champ nouveau d'application aux aciers extra-durs pour ou tils, délaissés jusqu'à ce jour dans la cons truction mécanique en .général.
Il est évident que l'on pourrait utiliser des champs magnétiques à moyenne fréquence au lieu de champs à haute fréquence. Par moyenne fréquence, on entend ici la gamme supérieure des basses fréquences et la gamme inférieure,des hautes fréquences, la fréquence de 15.000 périodes par seconde marquant la séparation de la haute et de la basse fré quence.
Heat treatment process for steels. The hardening of steels, the purpose of which is to increase their hardness, and in general, to improve the mechanical characteristics of the metal, has the consequence of developing internal tensions within the material. These are caused not only by the storage at ordinary temperature of the stable equi free at high temperature, but also by a purely physical phenomenon resulting from the sudden cooling of the part previously heated to the temperature of red.
In order to attenuate to a certain extent the fragility resulting from this unstable equilibrium state at low temperature, it is common practice to reheat at a variable temperature but always lower than that of the quenching.
This so-called #revenu temperature takes into account the chemical composition of the hardened metal, the intensity of the pre-hardening phenomenon, which can range from the sorbitic structure to the austenitic structure, and finally takes into account to a certain extent the shape. particular parts, tools or other material to be treated, so as to achieve a judicious adaptation of the new properties of the metal to the work it will have to provide.
This tempering treatment is generally carried out by heating by means of salt furnaces, baths of salt or molten lead or oil, heated to a controlled temperature, in which one. introduced the pieces. The heating then develops gradually by following isothermal surfaces from the outside to the inside of the room.
It follows therefore that the differential evolution. of. resulting physicochemical transformations, instantaneous temperature deviations within the part, create new tensions which do not necessarily act in a direction favorable to the destruction of the quenching tensions, especially when it comes to hypereutectic steels with a high content of alloys, such as: molyb @ dene, tungsten, chromium, vanadium, etc.
In fact, the descending martensite-troostite transformation taking place with a reduction in volume, the surface layers first reached undergo a contraction which would subject them to a bursting force if the physical expansion did not compensate for it to a certain extent. , as long as the metal is at the return temperature.
If the phenomenon of tempering, which is essentially quantitative, has not been carried out in such a way as to achieve a sufficient state of physico-chemical stability at depth, the metal may give rise to cracks, commonly called #tapures ".
These #tapures "can occur either spontaneously during cooling or even subsequently under the influence of slight shocks, or even simple repeated variations in temperature.
When a hypereutectic steel part does not require for its use a strength greater than 180 to 300 hg per mm, the tempering can be done at a temperature high enough to give the surface layers of the metal a capacity for elongation and deformation likely (to absorb the anomalies mentioned above. If, on the contrary, the use of the part requires a resistance of more than 200 kg per mmê, the tempering which is limited to subjecting it allows latent stresses to subsist which will reach free themselves, either slowly by natural aging, or suddenly by bursting, in the form of tapures.
The subject of the present invention is therefore a heat treatment process which makes it possible to artificially obtain accelerated aging, freeing the metal from its quenching tensions.
This process is characterized by the fact that the steel to be aged, after its quenching, is subjected to the action of an oscillating magnetic field, its temperature being raised to a point not higher than the transformation point Ac1 The heating of the part can be produced, either in any way, immersion in an oil bath, passage in an oven, etc., or better still, by induction effect due to the circuit for producing the oscillating magnetic field.
The frequencies of the oscillating magnetic fields used can go up to 100,000 periods per second, in the case of small parts.
The artificial aging thus obtained can advantageously replace the usual tempering of steels after quenching, having the advantage over the latter of destroying the internal quenching stresses, without corresponding lowering of hardness.
Here is, by way of example, how the process forming the object of the invention can be carried out in practice: A high frequency furnace is used, consisting of a horizontal cylindrical enclosure called #treatment chamber ”, in which the parts to be treated are conveyed, preferably advancing mechanically to allow the passage speed to be adjusted as precisely as possible.
The parts heat up under the effect of the induction current due to the oscillating magnetic field to which they are subjected, throughout the period of passage through the device.
It has been observed in the course of experiments that in certain cases a heating of around 130 C was sufficient to obtain the almost total destruction of the tensions and already to improve in a very appreciable way the performance of organs. mechanical subject to a high rate of work.
Also as an example, we can cite the result obtained on cylindrical parts of <B> 50 </B> mm <B> of </B> diameter, on 1_-10 mm long in extra-hard steel with tungsten-chromium.
The quenching had been carried out at a temperature irteiitionally higher than the normal temperature, so as to exaggerate the quench stresses.
Read half of these pieces including the. hardness after quenching was 683 Brinell, had been tempered to 1.6 (). and the other half to. 130, in the high frequency apparatus.
Bone? had, in order to demonstrate the efficiency of the process, subjected these parts to heating and altering cooling, in order to promote the development of tapures.
The parts treated by tempering at 160 broke: 6 after the third cooling, 2 after the eighth cooling.
The parts treated by tempering to 120 broke: 1 after the fourth cooling, 2 after the ninth cooling. The other parts, out of 10 of each series, having resisted after 15 consecutive heating and cooling treatments. Depending on the type of parts to be treated, particular devices can be used, drawing on the need to heat as regularly and as uniformly as possible. You should first pass a few parts and measure their temperature at the outlet.
The temperature at the outlet must be measured by a calorimetric process which will make it possible to determine the depth penetration of the heat. It will suffice, for example, to measure the comparative rise in temperature of the same quantity of any liquid in which a part calibrated in temperature has been immersed.
The electrical equipment which can be used for the execution of the method can be the following: A circuit comprising a capacitor bank and an inductor is periodically interrupted by a rotating spark gap formed by mobile plates carrying solid electrodes moving between fixed, adjustable electrodes cooled by circulating water. A high frequency current (that is to say greater than 15,000 periods per second) is thus obtained by the discharge of the capacitor bank; the periodicity of the discharge is ensured by the rotating spark gap. A high frequency magnetic field is thus obtained.
This circuit also comprises a winding serving to produce the heating of the parts by induction in the furnace; thus the furnace heater is part of the circuit for generating the oscillating magnetic field.
The oven has three zones: The first ensuring a slight preheating of acclimatization, the second carrying out the treatment itself, the third allowing a judicious stabilization of the temperature of the parts before leaving.
The practical realization of these three stages of treatment can be done by means of a horizontal furnace using as a guide a semi-circular channel made of a non-magnetic metal. The frequency setting is obtained by the heating choke.
It has been found that the treatment described provides a significant improvement in the overall mechanical properties of the metal, and in particular in the elasticity and the resilience, without reducing the hardness. It applies more particularly to very hard steels, which must retain the maximum hardness after heat treatment with minimum brittleness.
By its very principle, the process described provides the metal with the benefit of "aging", thus opening up a new field of application for extra-hard steels for or tils, neglected until now in mechanical construction in. .general.
It is obvious that one could use medium frequency magnetic fields instead of high frequency fields. By medium frequency is meant here the upper range of low frequencies and the lower range of high frequencies, the frequency of 15,000 periods per second marking the separation of the high and the low frequency.