LU83796A1 - Procede pour recuire les aciers et articles en acier recuit selon ce procede - Google Patents

Description

Procédé pour recuire les aciers et articles en acier recuit selon ce procédé.

La présente invention concerne un procédé pour recuire les aciers ainsi que les articles en acier recuit 5 selon ce procédé.

Plus particulièrement l'invention concerne un procédé pour recuire les aciers afin d'améliorer leurs caractéristiques de formage et d'usinage.

Le recuit est un procédé bien connu dans le traite-10 ment des aciers et on l'utilise principalement pour réduire la dureté de l'acier afin de pouvoir l'usiner ou le façonner en une pièce ayant la configuration désirée/ de façon économique. En général, on effectue le recuit par chauffage de l'acier dans un four maintenu à la température d'austéni-15 tisation, puis on en retire l'acier et on le refroidit de façon contrôlée. On chauffe l'acier à une température supérieure à la température d'austénitisation (c'est-à-dire la température A^), puis on le refroidit pour que la microstructure de l'acier contienne les produits de transforma-20 tion supérieure, c'est-à-dire de la perlite, de la ferrite granulaire, des carbures sphéroïdaux et leurs combinaisons. On doit distinguer les produits de transformation supérieure des produits de transformation inférieurs également bien connus, à savoir la bainite, la ferrite aciculaire et la 25 martensite, car les produits de transformation supérieure 2 sont plus tendres et plus ductiles que les produits de transformation inférieure. Donc, lorsqu'on recuit pour amé-- liorer l'usinabilité, l'objectif du recuit est la formation de produits de transformation supérieure pratiquement à ~ 5 l'exclusion des produits de transformation inférieure.

On recuit souvent l'acier laminé à chaud avec de gros fours de recuit. Les gros fours occupent une surface étendue et constituent un investissement important, ce qui est un inconvénient notable de leur emploi. Il est bien ~ 10 connu de l'homme de l'art que l'emploi de ces fours de re cuit présente d'autres inconvénients. Tout d'abord le rendement thermique du four est généralement très faible, si bien que l'accroissement du coût du combustible fait rechercher un moyen plus efficace pour chauffer l'acier. De 15 plus, le chauffage du four s'effectue par transfert de chaleur par rayonnement, conduction et convection, ce qui nécessite des cycles prolongés pour que la charge d'acier du four soit soumise à un traitement uniforme dans un cycle de chauffage donné. Ces cycles prolongés sont en soi 20 désavantageux car les températures élevées utilisées nécessitent l'emploi d'une atmosphère non oxydante connue (par exemple une atmosphère protectrice ou le vide) dont la production consomme de l'énergie additionnelle.

Il est donc souhaitable d'éviter l’emploi de ces 25 gros fours de recuit, tout en maintenant les propriétés physiques de l'acier recuit dans les limites acceptables.

On a proposé, comme décrit dans les brevets U.S. numéros : 3.908.431, 4.040.872 et 4.088.511, de traiter les aciers selon divers cycles thermiques par emploi de techniques de 30 chauffage électrique par résistance. Ces techniques ont l'avantage de chauffer très rapidement les .pièces d'acier avec des rendements élevés et de produire un chauffage uniforme de la totalité de la section des pièces d'acier.

Le chauffage électrique par résistance a été utilisé 35 dans les opérations de recuit comme décrit dans le brevet U.S. No. 3.855.013. Dans ce procédé, on chauffe rapidement un acier écroui par chauffage à résistance électrique qui porte sa température au-dessus de la température A^, à 3 laquelle la ferrite présente dans l'acier est transformée en austénite. Les carbures présents ne se dissolvent pas dans 1'austénite ainsi formée, mais demeurent sous forme d'une phase séparée. On trempe ensuite l'acier à la tempé-î, 5 rature ordinaire pour retransformer l'austénite en ferrite, ce qui entraîne essentiellement l'élimination de l'écrouissage de l'acier en laissant les carbures inchangés.

L'invention permet de modifier fortement le recuit des aciers et fournit des aciers ayant une ductilité et 10 une ténacité améliorées lorsque l'on effectue rapidement le chauffage à une température supérieure à la température d'austénitisation à une vitesse telle que la majeure partie des carbures se dissolvent dans 1'austénite ainsi formée en laissant de petites particules de carbure à l'état non dis-15 sous. Les petites particules de carbure qui demeurent sont en quantité suffisante pour servir de germes pour la croissance des produits de transformation supérieure pendant le refroidissement, ce qui entraîne une accélération globale du recuit.

20 L'invention a pour objets : - un procédé amélioré pour le recuit des aciers ; - un procédé amélioré pour le recuit des aciers dans lequel on chauffe rapidement un acier à une température supérieure à la température Ag pour que de petites parti- 25 cules de carbure demeurent à l'état non dissous et servent de germes pour la croissance des produits de transformation supérieure afin de fournir un acier recuit ayant des valeurs ..... élevées de la ductilité et de la ténacité ; et - des aciers améliorés, ainsi que des articles en 30 acier amélioré que l'on a recuit pour obtenir des caractéristiques élevées de ductilité, de formabilité et de ténacité.

Sur les dessins : la figure 1 est un graphique de la température en 35 fonction du temps, représentant le chauffage et le refroidissement de deux échantillons d'acier pour montrer l'influence de la température sur le recuit accéléré selon 1'invention ; 4 la figure 2 est un graphique de la température en fonction du temps représentant le chauffage et le refroidissement de plusieurs échantillons d'acier pour monttrer 1'influence de la température sur le recuit accéléré selon l'in-« 5 vention ? la figure 3A est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 4142 avant le traitement selon l'invention (coulée A) ; la figure 3B est une photomicrographie montrant la 10 microstructure de l'acier 4142 après chauffage à 768°C/ puis trempe (coulée A) ; la figure 3C est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 4142 après chauffage à 768°C et refroidissement à l'air (coulée A) ; 15 la figure 4 est un graphique des propriétés mécani ques (dureté et résistance à la traction) en fonction de la température d'austénitisation de l'acier 8640 (coulée B) ; la figure 5 est une illustration schématique de l'appareil utilisé pour le recuit selon les principes de 20 1'invention ; la figure 6A est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 4140 avant traitement selon l'invention (coulée C) ; la figure 6B est une photomicrographie montrant la 25 microstructure de l'acier 4140 après recuit au four (coulée C) ; la figure 6C est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 4140 que l'on a recuit selon le procédé de l'invention (coulée C) ; 30 la figure 7 est un graphique de l'énergie de choc

Charpy en fonction de la température pour l'acier 4140 que l'on a recuit au four ou recuit selon le procédé de l'invention (coulée C) ; la figure 8 illustre le résultat de l'essai d'usina-35 bilité (sous forme d'un graphique de la venue de la pièce en fonction du nombre de pièces produites et de la durée d'essai) pour des aciers 4140 que l'on a recuit au four ou recuit selon le procédé de l'invention (coulée C) ; 5 la figure 9A est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 4140 avant le traitement selon ’ l'invention (coulée D) ; la figure 9B est une photomicrographie montrant la « 5 microstructure de l'acier 4140 après recuit au four (cou lée D) ; la figure 9C est une photomicrographie de l'acier 4140 recuit selon le procédé de l'invention (coulée D) ; la figure 10 est un graphique de l'énergie de choc 10 Charpy en fonction de la température pour l'acier 4140 recuit au four ou recuit selon le procédé de l'invention (coulée D) ; la figure 11 est un graphique (temps en fonction de la vitesse, déterminé selon un essai de longévité 15 Taylor modifié) de l'acier 4140 que l'on a recuit au four ou recuit selon le procédé de 1'invention (coulée D) ; la figure 12A est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 8640 avant le traitement selon l'invention (coulée B) ; 20 la figure 12B est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 3640 que l'on a recuit au four (coulée B) ; la figure 12C est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 8640 que l'on a recuit selon 25 le procédé de l'invention (coulée B) ; la figure 13 est un graphique de l'énergie de choc Charpy en fonction de la température pour l'acier 8640 que l'on a recuit au four ou recuit selon le procédé de l'invention (coulée B) ; 30 la figure 14A est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 6150 avant traitement selon le procédé de l'invention (coulée G) ; la figure 14B est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 6150 que l'on a recuit au four 35 (coulée G) ; la figure 14C est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 6150 que l'on a recuit selon le procédé de l'invention (coulée G) ; 6 la figure 15 est un graphique de 1'énergie de choc Charpy en fonction de la température d'essai pour l'acier 6150 que l'on a recuit au four et l'acier 6150 que l'on a recuit selon le procédé de l'invention (coulée G) ; 5 la figure 16A est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 1144 avant traitement selon le procédé de 1'invention (coulée H) ; la figure 16B est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 1144 illustré par la figure 16A 10 après recuit au four (coulée H) ; la figure 16C est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 1644 après recuit selon le procédé de l'invention (coulée H) ; la figure 17A est une photomicrographie montrant la 15 microstructure d'un acier 86L20 avant traitement (coulée I) ? la figure 17B est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 86L20 de la figure 17A après recuit au four (coulée I) ; et 20 la figure 17C est une photomicrographie montrant la microstructure de l'acier 86L20 de la figure 17A après recuit selon le procédé de l'invention (coulée I).

Les principes de l'invention reposent sur la découverte que l'on peut obtenir des valeurs élevées de la 25 ductilité et de la ténacité avec des aciers hypoeutectoïdes par recuit lorsqu'on chauffe rapidement l'acier à une température supérieure à la température de transformation supérieure pour former de l'austénite et conserver les carbures de fer, la vitesse de chauffage étant suffisamment élevée 30 pour que la plupart des carbures soient dissous dans l'austénite en laissant de .petites particules, généralement sphëroïdales, de carbures à l'état non dissous. Après ce chauffage, on refroidit l'acier à une vitesse telle que les petites particules de carbures conservées qui sont non 35 dissoutes dans l'austénite servent de germes pour la croissance des produits de transformation supérieure, constitués principalement de perlite et de ferrite granulaire ainsi que de sphéroïdes fins de carbure de fer. On a découvert 7 que les carbures ainsi formés lors du refroidissement sont caractérisés par des tailles des particules bien plus * petites que celles obtenues lors du recuit au four, si bien que la microstructure affinée de l'acier recuit améliore la v 5 ductilité, la formabilité et la ténacité par rapport à l'acier soumis au recuit au four.

Les principes de l'invention s'appliquent au traitement d'aciers hypoeutectoïdes ayant une teneur en carbone d'au plus 0,7 % en poids et, de préférence, contenant entre 10 0,1 et 0,7 % en poids de carbone. Ces aciers peuvent conte nir des quantités relativement faibles des éléments d'alliage courants, tels que le chrome, le molybdène, le nickel et le manganèse. Selon une convention courante, un acier contenant moins de 5 % en poids de tels éléments d'alliage 15 est appelé dans l'art "acier faiblement allié". Des exemples caractéristiques d'aciers hypoeutectoïdes que l'on peut utiliser dans la présente invention figurent dans le tableau suivant.

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Dans la pratique préférée de l'invention, l'acier est sous forme d'une pièce à travailler que l'on peut i chauffer séparément, ce qui permet de régler de façon pré cise le processus de chauffage. Pour cela, on préfère sou-5 vent utiliser des pièces à travailler ayant une section régulière, telles que des barres, des tiges, des tubes et similaires.

Selon le mode de réalisation préféré, on chauffe rapidement les pièces à travailler individuelles par chauf-10 fage électrique direct par résistance ou par chauffage électrique par induction, de préférence en surveillant la température de la pièce à travailler au moyen d'un dispositif de détection approprié. La rapidité du procédé de chauffage, tout en permettant le traitement économique de 15 quantités importantes de pièces à travailler, provoque une austénitisation très rapide. Le procédé que l'on préfère particulièrement pour effectuer le chauffage rapide selon l'invention est le chauffage électrique direct par résistance. Cette technique, décrite en détail dans le brevet Ü.S.

20 No. 3.908.431, comporte le passage d'un courant électrique à travers la pièce d'acier à travailler ; la résistance qu'oppose la pièce à travailler au passage du courant électrique, provoque un chauffage uniforme et rapide de la pièce à travailler sur toute sa section.

25 Lors du chauffage selon la technique du brevet pré cité, la pièce à travailler est raccordée à une source de courant électrique, le raccordement étant effectué aux deux extrémités de la pièce à travailler de façon que le courant traverse la totalité de la pièce. Par suite du passage uni-30 forme du courant à travers la pièce à travailler, la température de cette pièce, qui est généralement sous forme d'une barre ou d'une tige, s'élève uniformément axialement et radialement. Donc l'intérieur comme l'extérieur de la pièce à travailler sont chauffés simultanément, sans introduction 35 de contraintes thermiques. Au contraire, dans un four classique, l'extérieur de la charge du four est chauffé bien plus rapidement que l'intérieur, si bien que l'acier près de l'extérieur de la charge est complètement transformé en 10 austénite, tandis que l'intérieur de la charge peut au même moment ne pas avoir subi la transformation en austénite.

3 Cette technique au four présente donc un inconvénient im portant, car il est difficile, sinon impossible, de régler 5 la vitesse de chauffage pour obtenir la transformation en austénite avec dissolution d'une partie seulement des carbures. En d'autres termes, lorsqu'on chauffe au four, on a tendance à dissoudre la totalité des carbures et, par conséquent, il ne demeure pas de particules fines de carbure 10 capables de servir de germes pour la formation des produits de transformation supérieure lors du refroidissement.

Dans la pratique de l'invention, on chauffe la pièce à travailler en acier à une température supérieure à la température A3 ou température de transformation supérieu-15 re, très rapidement, généralement en 1 seconde à 10 minutes. On peut effectuer le réglage du stade de chauffage dans des limites relativement étroites par emploi du caractère endo-thermique bien connu de la transformation en austénite.

Comme il est bien établi, la température de la pièce à tra-20 vailler, au début de la transformation austênitique, demeure constante ou même s'abaisse légèrement pendant une période comprise entre quelques secondes et plusieurs minutes selon, dans une certaine mesure, la vitesse de chauffage. Une courbe de chauffage typique pour le stade d'austénitisation uti-25 lise dans la pratique de l'invention est illustrée par la figure 1 qui est un graphique de la température en fonction du temps pour la coulée A de l'acier 4142. (La composition chimique de cette coulée particulière est illustrée dans le tableau 1 ci-dessus). Comme le montre la figure, on chauffe 30 rapidement deux pièces à travailler en acier en moins de 5 minutes à des températures d'austénitisation de 767°C pour l'échantillon (1) et de 843°C pour l'échantillon (2). Les courbes de chauffage indiquent que la dissolution des car- v bures s'effectue lorsque la vitesse d'élévation de la tempé-35 rature demeure constante, c'est-à-dire au point d'arrêt de chauffage. Lorsqu'on atteint ce point, on doit veiller à ce que tous les carbures ne soient pas dissous dans 1'austénite ainsi formée. Un principe important de l'invention est 11 que des quantités suffisantes de carbure demeurent à l'état non dissous pour servir de germes pour la précipitation des " produits de transformation supérieure lors du refroidisse ment de la pièce à travailler.

. 5 Donc le chauffage à la température d'austénitisa tion se poursuit pendant une durée brève au-dessus du point d'arrêt du chauffage. Pendant cette période, l'austénitisation de la majeure partie de la structure s'achève et la structure qui existe au point de température maximale con-10 siste essentiellement en austénite et en particules de carbures non dissous. Après l'austénitisation, on laisse les pièces à travailler refroidir à l'air à leur vitesse.

Comme le montre la figure 1, les aciers présentent un arrêt de refroidissement (660°C pour l'échantillon (1) 15 et 471°C pour l'échantillon (2)) à un point où la précipitation des produits de transformation commence. Le point d'arrêt de refroidissement est donc déterminé par la température d’austénitisation utilisée. Dans le cas de l'échantillon (1), la température d'austénitisation était telle 20 que l'échantillon a refroidi pour former des produits de transformation supérieure, tandis que l'échantillon (2), austënitisé à une température plus élevée, a refroidi pour former des produits de transformation inférieure.

Les données complètes de ce phénomène figurent 25 dans le tableau suivant.

Les résultats montrent que la dureté de l'acier s'accroît (avec une diminution de la ductilité) lorsque la • - température d'austénitisation augmente.

Les valeurs ci-après montrent que le recuit accélé-30 ré selon l'invention dépend de la température d'austénitisation. Si la température est trop élevée, tous les carbures se dissolvent et il n'existe pas de germes disponibles pour accélérer la vitesse de précipitation des produits de transformation supérieure.

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On a également découvert que le temps agit également sur le processus de recuit de l'invention, des durées * de chauffage plus importantes provoqpant la dissolution de toutes les particules de carbures présentes. Cet effet est 5 illustré par la figure 2 qui est un autre graphique de la température en fonction du temps pour une série d'échantillons maintenus pendant des durées variables avant le refroidissement à l'air. (Les portions de chauffage et de refroidissement de ces courbes ont été coupées à 593°C, si 10 bien que seules les températures auxquelles les produits de transformation supérieure se forment sont représentées. Les valeurs de la dureté de chaque échantillon figurent également sur le graphique).

Comme le montre la figure 2, lorsque le temps pen-15 dant lequel on maintient les divers échantillons à la température d'austénitisation s'accroît, le point d'arrêt du refroidissement s'abaisse, par conséquent il y a tendance à la formation des produits de transformation inférieure au lieu des produits de transformation supérieure selon la 20 pratique de l'invention. Donc les duretés s'accroissent lorsque la durée d'austénitisation augmente. En pratique, après 12 minutes à la température d'austénitisation, il n'y a pas d'arrêt de refroidissement dans la gamme des températures illustrée par la figure 2, et on obtient les échantillons 25 refroidis à l'air les plus durs.

Les essais précédents avec des échantillons d'acier 4142 ont démontré que le phénomène de recuit accéléré de l'invention dépend de la température d'austénitisation et de la durée d'austénitisation. Pour montrer comment le phéno-30 mène de recuit accéléré se produit, on a examiné la microstructure de l'acier avant l'austénitisation, à la température d'austénitisation et après refroidissement à l'air.

La structure à la réception et la structure après refroidissement à l'air peuvent être examinées selon des techniques 35 métallographiques standards. Pour observer l'état de l'aus-ténite à la température d'austénitisation, on utilise une technique métallurgique classique de trempe. On chauffe rapidement un échantillon de la coulée A à 768°C et on le 14 trempe dans de l'eau agitée. Les parties de la structure qui étaient à l'état d'austénite avant la trempe sont trans-7 formées en martensite. Par conséquent, on peut observer la structure austënitisée à la température ordinaire selon des 5 techniques métallographiques classiques par emploi d'un agent d'attaque ne révélant pas la martensite.

Les figures 3Ά, 3B et 3C montrent la structure à la réception, la structure austënitisée-trempëe et la structure austénitisée- refroidie à l'air d'échantillons de la 10 coulée A. En raison de la nature fine de ces structures, on a utilisé, pour effectuer ces photomicrographies, un microscope électronique à balayage (MEB).

Cette technique a clairement montré la structure de l'acier avant austénitisation, à la température d'austéniti-15 sation et après refroidissement à l'air.

Ces photomicrographies montrent nettement que la structure à la réception (avant traitement) a été austéniti-sëe pendant le cycle de chauffage rapide, mais que certaines particules de carbures sont demeurées non dissoutes dans 20 l'austénite. Comme des germes existent déjà dans la structure austénitisée, la nucléation des Produits de transformation supérieure se fait sans délai à la température de recuit. Les particules de carbures conservées commencent simplement à croître lorsque la température s'abaisse en-25 dessous de la température Alf puis ensuite de la perlite commence à croître à partir des germes de carbure. Par conséquent le temps nécessaire pour recuire l'acier est considérablement réduit. Plusieurs autres nuances d'acier ont été étudiées de façon semblable et, dans tous les cas, on 30 a découvert que la structure austénitisée était constituée .d'austénite avec des carbures sphéroîdaux fins. Cette con-- servation des carbures dans la structure austénitisée, due au chauffage rapide, semble être la base du phénomène de recuit accéléré de l'invention.

35 La conservation des carbures dans la structure aus ténitisée de l'acier a été notée dans la littérature. Cependant, avec un chauffage plus lent, la quantité de carbures conservée dans la structure austénitisée est faible. Par 15 conséquent, un acier que l’on chauffe lentement à la température d'austénitisation a moins tendance à présenter le ? phénomène de recuit accélër.é. Des essais comparatifs avec des traitements d'austénitisation au four et des traite-5 ments d'austénitisation rapide ont montré que le phénomène de recuit accéléré ne se produit pas avec les traitements au four.

Dans un de ces essais, des barres d'acier 8640 de la coulée B ont été austénitisées ä diverses températures 10 dans un four et on les a laissées refroidir à l'air. Un autre ensemble de barres de la même coulée a été austëni-tisé par chauffage électrique par résistance et on l'a laissé refroidir â l'air. Les propriétés mécaniques résultant de ces traitements sont illustrées par la figure 4.

15 Tous les échantillons traités au four ont, après refroidissement, une dureté relativement élevée. Cependant les échantillons chauffés rapidement présentent une transition notable entre les échantillons durs et tendres refroidis à l'air. Le tableau 3 montre les propriétés mécaniques d'un 20 ensemble d'échantillons de cet essai. L'échantillon austéni-tisé au four a des propriétés mécaniques très voisines de celles de l'acier à la réception, tandis que l'échantillon austénitisé rapidement est nettement plus tendre. Il ressort de façon évidente de ces valeurs que l'acier 8640 25 répond à l'austénitisation rapide de la même façon que l'acier 4142. Cependant le phénomène de recuit accéléré est plus évident pour l'acier 8640 car cet acier a une trem-pabilité inférieure à celle de l'acier 4142.

Les essais ont montré que le phénomène de recuit 30 amélioré est sensible à la température d'austénitisation, car les échantillons que l'on a rapidement aus.ténitisés ; au-dessus de 843°C ne présentent pas de recuit spontané.

Ces essais ont également montré que le phénomène de recuit accéléré dépend également de la durée d'austénitisation car 35 aucun des échantillons austénitisés au four n'a présenté de recuit lors du refroidissement à l'air, quelle que soit la température d'austénitisation. Les traitements au four sont simplement trop lents pour permettre au phénomène de recuit 16

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17 accéléré de se produire. Le séjour relativement long à la température d'austénitisation permet aux carbures conservés r de se dissoudre ou de diminuer de taille au point qu'il ne demeure plus assez de carbures efficaces comme germes pour 5 la croissance des carbures lors du refroidissement.

Selon une variante de la pratique de l'invention/ il est parfois souhaitable d'assurer l'uniformité des vitesses de refroidissement des lots importants de pièces à travailler à traiter. Par exemple, si l'on chauffe simple-10 ment les barres d'acier et qu'on les empile sur un support pour qu'elles refroidissent, la première barre peut refroidir plus rapidement que la dernière et, par conséquent, un défaut d'uniformité d'un lot d'acier traité en une seule fois peut apparaître. Donc, pour éviter un défaut d'unifor-15 mité des lots, on peut utiliser un dispositif de refroidissement isolé en série du type illustré par la figure. 5. Lorsqu'on utilise ce type d'appareil, on peut faire passer les barres à travers le dispositif avec une durée de séjour par exemple de 10 minutes. Un tel dispositif ne nécessite 20 pas de source externe de chaleur et, par conséquent, ne consomme pas d'énergie. Des essais portant sur l'uniformité des propriétés mécaniques ont montré que ce dispositif de refroidissement isolé est efficace.

Après avoir décrit les principes fondamentaux de 25 l'invention, celle-ci va être décrite par les exemples illustratifs et nullement limitatifs suivants qui concernent le recuit de barres d'acier longues de 2,1 mètres. Dans chaque exemple on examine l'acier dans trois conditions, à la réception ou avant tout traitement, après recuit au four et 30 après recuit selon le procédé de l'invention, avec comparaison de 1'acier recuit au four et de 1'acier.recuit selon - 1'invention.

EXEMPLE 1

Cet exemple illustre le recuit d'un acier 4140 de 35 la coulée C indiquée dans le tableau 1.

On recuit au four 20 barres d'acier 4140 de la coulée C avec un four à tunnel à rouleaux. La température d'austénitisation du four est de 843°C et la durée totale 18 du cycle de recuit est de 16 heures.

On recuit également 20 barres de la même coulée ; selon le procédé de l'invention. La température d'austéni tisation est de 788°C et on austênitise chaque barre en 33 , 5 secondes. La durée totale de recuit de la totalité des 20 barres est inférieure à 1 heure.

On décape les deux lots d'acier, on les étire à froid et on les dresse après recuit. On soumet ensuite les deux lots à des essais poussés et on soumet l'acier restant, 10 après les essais, à un test d'usinabilité. Le tableau 4 montre les propriétés mécaniques de l'acier utilisé dans ces essais. Les propriétés mécaniques de l'acier à la réception et de l'acier recuit figurent à titre comparatif.

L'acier recuit selon le procédé de l'invention pré-15 sente une meilleure combinaison des propriétés que l'acier recuit au four. La dureté de l'acier recuit, selon le procédé de l'invention, est légèrement supérieure, mais la différence importante entre les deux produits est l'amélioration de la ductilité de l'acier recuit selon le procédé 20 de l'invention. L'allongement est de 13,3 % pour l'acier recuit au four après traitement complet et l'allongement de l'acier recuit selon le présent procédé est de 17 %. L'amélioration est donc de 28 %. La striction de l'acier recuit au four est de 39,0 % et la striction de l'acier re-25 cuit selon le présent procédé est de 59,3 %. L'amélioration est de 52 %. L'allongement et la striction sont les bases de l'évaluation de la ductilité d'un acier et ces améliorations, par rapport à l'acier recuit au four, indiquent une amélioration considérable de la ductilité et de la forma-30 bilité.

Les raisons de l'amélioration de la ductilité du produit recuit selon le présent procédé apparaissent nettement à l'examen de la microstructure de ces échantillons d'acier. Les figures 6A, 6B et 6C montrent les microstruc-35 tures des échantillons de cette coulée d'acier 4140 dans . trois conditions : à la réception, après recuit au four et après recuit selon le procédé de l'invention. La structure à la réception est constituée de produits de transformation 19 fi ο

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20 inférieure : de la bainite supérieure et de la ferrite aciculaire. La structure de l'acier recuit au four est cons-r tituée de perlite et de ferrite, L'acier recuit selon le présent procédé a une structure constituée essentiellement 5 de ferrite, de perlite et de carbures sphéroïdaux fins.

Les zones de ferrite ne sont pas distinctes et la ferrite contient des carbures sphéroïdaux. Egalement la taille des grains est plus petite pour l'acier recuit selon le présent procédé. C'est la nature fine de cette structure qui s'oppo-10 se à la structure grossière de l'acier recuit au four qui confère à l'acier sa ductilité et sa formabilité améliorées.

La microstructure fine confère également au produit recuit une ténacité améliorée. La figure 7 montre les courbes de choc Charpy pour des barres prélevées dans les deux 15 lots d'acier recuit. L'acier recuit selon la présent procédé a une température de transition plus basse et une énergie en réserve plus élevée qui est presque trois fois celle de l'acier recuit au four. L'amélioration de la ténacité est utile pour des applications dans lesquelles on effectue un 20 usinage ou un formage puis on ne durcit que la surface.

Dans ces applications, l'amélioration de la ténacité de la partie intérieure confère à la pièce une résistance accrue à la rupture.

Pour montrer que l'amélioration de la ténacité et 25 de la ductilité de l'acier recuit selon le présent procédé ne nuisent pas à son usinabilité par rapport à un acier recuit au four, on a effectué un essai d'usinabilité approfondi. On a choisi le test à la décolleteuse, car il permet d'étudier 1'usinabilité de l'acier avec différents types 30 d'outils. La figure 8 montre les résultats de l'essai d'usinabilité des deux lots recuits de l'acier 414Q de la coulée C. Dans ce type d'essai, on mesure la venue de la pièce et on en trace le graphique en fonction du temps ou du nombre de pièces produites. Les aciers qui s'usinent 35 bien ont des courbes de venue qui sont relativement plates et proches de l'axe du temps. Les aciers qui s'usinent mal ont des courbes à pentes très redressées. Les courbes de venue illustrées par la figure 8 montrent que les deux 21 aciers recuits ont environ la même usinabilité. L'acier recuit selon le présent procédé est légèrement meilleur que l'acier recuit au four, mais la différence n'est pas considérée comme significative.

5 EXEMPLE 2

Cet exemple illustre le recuit de la coulée D de l'acier 4140.

On recuit au four 20 barres de la coulée D avec un cycle de 16 heures et une température d'austénitisation de 10 843°C. On recuit ensuite, selon le présent procédé, 20 au tres barres de la même coulée. Dans ce traitement, on austé-nitise chaque barre à 816°C en environ 36 secondes et on recuit la totalité du lot en moins d'une heure.

Ensuite on décalamine les deux lots, on les étire 15 à froid et on les dresse. On effectue des essais poussés sur chaque lot et on utilise l'acier restant après ces essais pour un essai d'usinabilité. Les propriétés mécaniques de l'acier à la réception, de l'acier recuit au four et de 11 acier recuit selon le nouveau procédé figurent dans 20 le tableau 5. Dans ce cas également, l'acier recuit selon le présent procédé est plus ductile et légèrement plus dur que l'acier recuit au four. Les figures 9A, 9B et 9C montrent la microstructure de cette coulée d'acier dans trois conditions : respectivement à la réception, après recuit au 25 four et après recuit selon l'invention. Comme précédemment, l'acier recuit selon le procédé de l'invention a une microstructure plus fine que l'acier recuit au four.

La figure 10 montre les courbes de choc Charpy de l'acier recuit au four et de l'acier selon le présent pro-30 cédé. La supériorité de l'acier recuit selon Ie présent procédé est également évidente. La température de transition est plus basse et l'énergie en réserve est supérieure pour l'acier recuit selon le présent procédé.

L'essai d'usinabilité des deux lots recuits a été 35 effectué selon un essai de longévité Taylor modifié. Dans ce type d'essai d'usinabilité, on tourne la barre avec diverses vitesses et diverses avances jusqu'à ce que l'outil d'usinage soit hors d'usage. On fait figurer sur un 22 fi ο H en co γη I 1 _—„ a». h» «, ; ϋ tfp r-t CN co •H w -sr m fi

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Dans ce cas également, bien que l'acier recuit selon le présent procédé soit plus dur, plus tenace et plus ductile, 15 il s'usine mieux que l'acier recuit au four. Ces différences de ductilité, de ténacité et d'usinabilité constituent dans l'ensemble une amélioration importante des propriétés mécaniques de cet acier.

EXEMPLE 3 20 Dix barres de l'acier 4140 de la coulée E ont été recuites au four selon un cycle de 16 heures avec une température d'austénitisation de 843°C. On a ensuite recuit selon le présent procédé dix barres de la même coulée avec une température d'austénitisation de 788°C. Chaque barre a été 25 austénitisée en 35 secondes et la durée totale du cycle de recuit a été de 45 minutes. Le tableau 6 montre les résultats de ce traitement. Les échantillons obtenus dans cet essai n'ont pas été étirés à froid après recuit. Cette coulée a répondu au recuit selon l'invention presque exacte-30 ment comme les autres coulées. La ductilité supérieure de l'acier recuit selon le procédé de l'invention ressort des valeuis du tableau 6.

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On a recuit au four 15 barres de l'acier 4142 de la ~ coulée F. La température d'austénitisation pour le traite ment au four était de 843°C et la durée du cycle de 16 heu- a 5 res. Ensuite on a recuit, selon le procédé de l'invention, 15 autres barres de la même coulée. On a utilisé une température d'austénitisation de 788°C et chaque barre a été austénitisëe en 60 secondes. La durée totale du cycle a été inférieure à 1 heure. Le tableau 7 montre les proprié-10 tés mécaniques de l'acier en trois conditions : à la réception, après recuit au four et après recuit selon le procédé de l'invention. Dans ce cas également, l'acier recuit selon le présent procédé a une ductilité supérieure à celle de l'acier recuit au four.

15 EXEMPLE 5

Dix barres d'acier 8640 de la coulée B ont été recuites avec un four à tunnel à rouleaux. La température d'austénitisation au four était de 843°C et le cycle total dans le four était de 16 heures. Ensuite, on a recuit dix 20 barres de la même coulée selon le présent procédé. La température d'austénitisation était de 788°C et chaque barre a été austénitisée en 35 secondes. La durée totale du cycle de recuit, selon le procédé de l'invention, a été d'environ 30 minutes. Le tableau 8 montre les propriétés mécaniques 25 de l'acier en trois conditions : à la réception, après recuit au four et après recuit selon le présent procédé.

Dans ce cas également, l'acier recuit selon le procédé de l'invention a une ductilité nettement meilleure que celle de l'acier recuit au four.

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Les microstructures de l’acier à la réception, de l'acier recuit au four et dë l'acier recuit selon le procédé de l'invention sont illustrées par les figures 12A, 12B et 12C. L'acier recuit selon le présent procédé a une struc-5 ture plus sphéroïdale que l'acier recuit au four et il est quelque peu plus fin. Cette différence de la microstructure est semblable à celle observée dans les essais portant sur l'acier 4140. La ténacité de l'acier 8640 a également été étudiée selon l'essai de choc Charpy. Les résultats de 10 l'essai de choc des deux lots recuits sont illustrés par la figure 13. Dans ce cas également, l'acier recuit selon le présent procédé a une ténacité bien supérieure. (On notera que l'acier 8640 recuit n'a pas été étiré à froid avant l'essai. Par conséquent il est quelque peu plus ten-15 dre et plus tenace que les coulées d'acier 4140 précédemment mentionnées).

EXEMPLE 6

On a recuit 20 barres d'acier 6150 de la coulée G , avec un four à tunnel à rouleaux. La température d'austé- 20 nitisation au four était de 843°C et la durée du cycle de 16 heures.

Ensuite on a recuit 20 barres de la même coulée, selon le procédé de l'invention, avec une température d'austénitisation de 816°C. Chaque barre a été austénitisêe 25 en 34 secondes et la durée totale de recuit a été d'environ 1 heure. Le tableau 9 montre les propriétés mécaniques de l'acier à la réception, de l'acier recuit au four et de l'acier recuit selon le présent procédé.

Les deux lots recuits ont ensuite été étirés à 30 froid et dressés selon un type de traitement industriel typique. Les propriétés après étirage à froid et dressage figurent également dans le tableau 9. Pour cette nuance particulière, l'acier traité selon le présent procédé était légèrement plus dur que l'acier recuit au four, mais il 35 était encore plus ductile. Cette ductilité supérieure appa- ; raît avant et après l'étirage à froid.

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Les microstructures de l'acier à la réception, de l'acier recuit au four et de l'acier recuit selon le présent procédé, sont illustrées respectivement par les figu-: res 14A, 14B et 14C. La ,structure , du carbure de l'acier 5 recuit selon le présent procédé est plus fine que celle de l'acier recuit au four. On a également soumis les deux échantillons recuits à un essai de choc Charpy dont les résultats sont illustrés par la figure 15. Les courbes correspondent à l'acier 6150 après étirage à froid. Dans ce 10 cas également, l'acier recuit selon le présent procédé a une microstructure plus fine et une ductilité et une ténacité améliorées par rapport à l'acier recuit au four.

EXEMPLE 7

On a recuit au four, selon un cycle de 5 heures, 15 plusieurs barres de la coulée H de l'acier 1144. La tempé rature d'austénitisation pour le traitement au four était de 843°C.

Ensuite, on a recuit, selon le présent procédé, 5 barres de la même coulée. La température d'austénitisation 20 était de 788°C et la durée de recuit dans cinq barres a été de 20 minutes. Chaque barre a été austénitisëe en 30 secondes.

Le tableau 10 montre les propriétés mécaniques de l'acier à la réception, de l'acier recuit au four et de 25 l'acier recuit selon le procédé de l'invention. Dans ce cas, la dureté de l'acier recuit selon le présent procédé était très proche de celle de l'acier recuit au four.

Comme dans les exemples précédents, l'acier recuit selon le présent procédé avait une ductilité supérieure. Les 30 figures 16A, 16B et 16C montrent la microstructure de cet acier dans trois conditions : à la réception, après recuit au four et après recuit selon le présent procédé.

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32 EXEMPLE 8

Plusieurs barres de la coulée I de lTacier 86L20 .* ont été recuites au four selon un .cycle de 5 heures. La température d'austénitisation utilisée pour le recuit au 5 four était de 885°C.

Ensuite, on a recuit 15 barres de la même coulée selon le présent procédé de recuit. La température d'austénitisation utilisée était de 871°C et chaque barre a été aus-tënitisée en 31 secondes. Le cycle total de recuit a duré 10 47 minutes.

Le tableau 11 montre les propriétés mécaniques de l'acier à la réception, de l'acier recuit au four et de l'acier recuit selon le présent procédé. Pour cette nuance d'acier, l'amélioration de la ductilité de l'acier recuit 15 selon le présent procédé est relativement faible. Egalement la dureté de l'acier recuit selon le présent procédé est assez élevée. La raison de ces différences apparaît à l'examen des photomicrographies des structures de cette coulée d'acier (figures 17A, 17B et 17C). La taille des 20 grains de l'acier recuit selon le présent procédé est bien plus petite que celle des grains de l'acier recuit au four. Dans un acier à faible teneur en carbone tel que l'acier 86L20, la finesse des grains résultant du nouveau procédé de recuit est le facteur prédominant. Il n'y a pas suffi-25 samment de carbone dans l’acier pour que les carbures puissent jouer un rôle prédominant et l'effet de la taille des grains rend l'acier recuit, selon le présent procédé, quelque peu plus dur que le produit recuit au four. Par conséquent, le présent procédé de recuit n'apporte que des amé-30 liorations limitées de la ductilité.

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34

Les exemples précédents montrent que le présent procédé de recuit peut être appliqué à une grande diversité v d'aciers au carbone et d'aciers alliés. Chaque nuance étu diée a répondu au présent procédé de recuit à peu près de 5 la même façon. Pour chaque alliage, on a obtenu une morphologie plus fine des carbures améliorant la ductilité, la formabilité et la ténacité de l'acier. Il est important de noter que ces améliorations des propriétés ont été obtenues sans diminution de la résistance mécanique ou de l'usinabi-10 lité. Cette combinaison d'une amélioration de la ductilité, de la formabilité et de la ténacité, sans diminution de 1'usinabilité, est un phénomène inattendu. Généralement, lorsque la ductilité et la ténacité s'accroissent, pour une dureté donnée, 1'usinabilité diminue. Cependant, le nouveau 15 procédé de recuit crée une structure qui ne suit pas cette tendance générale.

Il ressort de la description précédente que l'invention apporte une amélioration importante du recuit de l'acier hypoeutectoïde. Elle améliore le rendement énergéti-20 que par emploi d'un chauffage électrique direct par résistance et, en même temps, elle supprime la nécessité de cycles de refroidissement contrôlés longs tels qu'en nécessite le recuit au four des aciers. De plus, le procédé de l'invention rend inutiles les atmosphères protectrices ou non 25 oxydantes que nécessitent les procédés de recuit au four de l'art antérieur.

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sui-30 vant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention.

Claims (19)

35

1. Procédé pour recuire l'acier, caractérisé en ce r , qu'il comprend des stades qui consistent à î (a) chauffer rapidement un acier hypoeutectoïde 5 à une température supérieure à la température de transformation supérieure de l'acier pour former de l'austénite et des carbures, la vitesse de chauffage étant suffisante pour provoquer la dissolution de la plupart des carbures dans l'austénite, en laissant sous une forme non dissoute de 10 petites particules de carbures en une quantité suffisante pour qu'elles servent de germes pour la précipitation des produits de transformation supérieure ; et (b) refroidir l'acier pour précipiter lesdits produits de transformation supérieure et former un acier 15 recuit ayant une ductilité, une formabilité et une ténacité améliorées.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier hypoeutectoïde contient jusqu'à 0,7 % en poids de carbone.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier contient entre 0,1 et 0,7 % en poids de carbone.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier contient moins de 5 % en poids d'un élément 25 d'alliage.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément d'alliage est choisi parmi le chrome, le molybdène, le nickel, le manganèse et leurs combinaisons.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en 30 ce qu'on chauffe l'acier à la température de transformation supérieure en moins de 10 minutes.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on chauffe l'acier par chauffage électrique direct par résistance.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier est sous forme d'une pièce à travailler ayant une section régulière.

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en 36 ce que le chauffage de l'acier s'effectue en l'absence d'une atmosphère inerte.

10. Procédé pour recuire l'acier, caractérisé en ce qu'il comprend des stades qui consistent à : 5 (a) chauffer un acier hypoeutectoïde à une température supérieure à la température de transformation supérieure de l'acier pour former de l'austénite et des carbures, la vitesse de chauffage étant inférieure à 10 minutes pour provoquer la dissolution de la plupart des 10 carbures dans l'austénite en laissant sous une forme non dissoute de petites particules de carbures présentes en une quantité suffisante pour qu'elles servent de germes pour la précipitation des produits de transformation supérieure ? et 15 (b) refroidir l'acier à une vitesse suffisante pour précipiter les produits de transformation supérieure et former un acier recuit ayant une ductibilité, une forma-bilité et une ténacité améliorées.

11. Procédé pour recuire l'acier, caractérisé en ce 20 qu'il comprend des stades qui consistent à : (a) chauffer un acier hypoeutectoïde uniformément selon la section transversale à une température supérieure à la température de transformation supérieure de l'acier pour former de l'austénite et des carbures, la 25 vitesse de chauffage étant telle qu'elle provoque la dissolution de la plupart des carbures dans l'austénite, en laissant sous une forme non dissoute de petites particules de carbures pour qu'elles servent de germes pour la précipitation des produits de transformation supérieure ; et 30 (b) refroidir l'acier pour précipiter lesdits produits de transformation supérieure.

12. Procédé à bon rendement thermique pour le recuit de l'acier, caractérisé en ce qu'il comprend des stades qui consistent à : 35 (a) chauffer un acier hypoeutectoïde par pas sage d'un courant électrique à travers l'acier, à une température supérieure à la température de transformation supérieure de l'acier pour former de l'austénite et des carbures, : 37 le chauffage s'effectuant en moins de 10 minutes pour provoquer la dissolution de la plupart des carbures dans l'austénite, en laissant sous une forme non dissoute de petites * particules de carbures présentes en une quantité suffisante * * * 5 pour qu'elles servent de germes pour la précipitation des produits de transformation supérieure ; et (b) refroidir l'acier pour précipiter lesdits produits de transformation supérieure.

13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé 10 en ce que l'acier est refroidi à l'air.

14. Procédé pour recuire l'acier, caractérisé en ce qu'il comprend des stades qui consistent à : (a) chauffer rapidement un acier hypoeutectoïde à une température supérieure à la température de transformais tion supérieure de l'acier pendant une durée suffisante pour former de l'austénite et des carbures, les carbures n'étant pas dissous dans l'austénite et étant présents en une quantité suffisante pour servir de germes pour la précipitation des produits de transformation supérieure ; et 20 (b) refroidir l'acier pour précipiter lesdits produits de transformation supérieure et former un acier recuit.

15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'on chauffe rapidement l'acier en moins de 10 minu- 25 tes par chauffage électrique direct par résistance.

16. Procédé pour recuire l'acier, caractérisé en ce qu'il comprend des stades qui consistent à : (a) chauffer rapidement un acier hypoeutectoïde contenant de la ferrite et des carbures à une température 30 supérieure à la température de transformation supérieure de . l'acier pour transformer la ferrite en austénite, la vites se de chauffage étant telle qu'elle provoque une dissolution de la plupart des carbures dans l'austénite ainsi formée en laissant sous une forme non dissoute de petites particules 35 de carbures présentes en une quantité suffisante pour servir de germes pour la précipitation des produits de transformation supérieure ; et (b) refroidir l'acier pour précipiter lesdits 38 produits de transformation supérieure et former un acier recuit.

17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'acier recuit contient de la perlite, de la 5 ferrite et des carbures sphéroïdaux.

18. Procédé pour recuire l'acier, caractérisé en ce qu'il comprend des stades qui consistent à : (a) chauffer rapidement un acier hypoeutectoïde contenant de la ferrite et des carbures à une température 10 supérieure à la température de transformation supérieure de l'acier pour transformer la ferrite en austénite, le chauffage étant effectué à une vitesse telle qu'il se forme de petites particules de carbures dissoutes dans 1'austénite et que les carbures soient présents en une quantité suffi-15 santé pour servir de germes pour la précipitation des produits de transformation supérieure ; et (b) refroidir l'acier pour précipiter lesdits produits de transformation supérieure.

19. Articles en acier amélioré recuit suivant un 20 procédé conforme à l'une des revendications 1 à 18.