Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
La présente inven-tion concerne un procédé d'élabora-
tion d'un élément allongé en acier au carbone à résistance
élevée et en particulier à un procédé d'obten-tion d'un élément
allongé en acier dur et mi-dur, par des opérations de réduction
de section. Elle concerne des opérations d'écrouissage telles
que~laminage, tréfilage et en particulier, mais non exclusive-
ment, le tréfilage de fils de renfort pour pneumatiques.
On peut pratiquer l'écrouissage de l'acier à chaud
ou à froid. A chaud, l'écrouissage est réalisé à une tempéra-
ture à laquelle l'acier recristallise. Il permet des déforma-
tions importantes mais conduit à des aciers de résistance
; mécanique plus faible que lorsque l'écrouissage est réalisé à
température ambiante.
La présente invention, visant à l'obtention de fils
présentant de bonnes qualités mécaniques, concerne l'écrouissage
à froid.
La structure d'équilibre de l'acier dur et mi-dur
, ~teneur en carbone supérieure à 0,4 %) est constituée principale-
; ~ent d'une part de perlite, formée de feuillets de cémentite
(carbure de fer très dur et cassant) dans une matrice de ferrite
eutectoi'de (fer presque pur très ductile) et, d'autre part, de
ferrite proeutectoïde en quantité variable selon le traitement
thermique et la composition (teneur en carbone). La structure
qui convient le mieux au tréfilage est celle d'une perlite
extrêmement fine. On approche très bien cette structure par
l'opération de patentage au plomb.
Le patentage consiste à porter l'acier à une tempéra-
ture (900 ~ 1000~C) ~ laquelle le carbone est totalement
soluble. Cette phase de l'acier s'appelle austénite. On
trempe ensuite l'acier dans du plomb à une température comprise
entre 500 et 600~C. La précipitation de la cémentite se fait
alors sous forme de lamelles très fines dont l'espacement est
- 1 - ~ ' .'; ' '
~ .. . . . . . . .
si petit qu'on ne peut le résoudre au microscope optique.
L'acier patenté peut alors être écroui à froid, par exemple
laminé ou tréfilé.
Cependant, quelle que soit la qualité de la structure
initiale, on ne peut pas réduire la section indéfiniment. Il
existe une limite d'écrouissage dépendant quelque peu de la
lubrification, au-delà de laquelle le tréfilage devient
impossible. A titre d'exemple, pour un acier à 0,7 % de carbone, ~'-
pour descendre du diamètre 5,5 mm, au diamètre 0,25 mm, deux
traitements de patentage sont nécessaires. ''
Le durcissement de l'acier au cours de l'écrouissage
peut se résumer simplement en disant que, pendant la déforma-
tion, il se crée de défauts linéaires (dislocations), qui
s'opposent à une déformation ultérieure. La cémentite participe
à la déformation en se brisant et en s'alignant dans le sens '
de cette dernière. ' ''
On comprend alors que, lorsqu'on arrive à une certaine
densité de défauts, aucune déformation ne peut plus se propager, ' "'' '
entraînant alors fissuration et'rupture.
Donc, pour réduire un fil d'acier de diamè-tre 5,5 mm
(fil machine) à un di'amètre de 0,25 mm (diamètre du fil fin
utilisable par exemple dans le pneumatique), il est nécessairé
d'effectuer deux patentages. Cela veut dire effectuer deux
opérations de chauffe du fil à 900 à 1000~C et deux trempes
au plornb à 500 à 600~C. Cela représente un procédé assez long.
Aussi, il a été envisagé de remplacer totalement, ou en partie,
le procédé d'écrouissage à froid avec patentage par un procédé
plus simple.
La demande fran~aise publiée numéro 2 078 026 décrit
un procédé de fabrication d'un fil de petit diamètre en acier, '~'
à résistance élevée, tel que fil pour renfort de pneumatique. " ''~
Le procédé permet d'éviter le patentage. Pour cela, l'acier ' '' '
- 2 -
1.7~
dur au carbone est remplacé par un acier allié à faible teneur
en carbone. Le processus d'élaboration comporte les phases
suivantes . tréfilage à froid par passage à travers plusieurs
filières, traitemen-t thermique par recuit à 400-650~C et
tréfilage à cette température, éventuellemen-t au cours de
plusieurs cycles d'étirage de plusieurs passes chacun jusqu'à
l'obtention du diamètre final. On constate que l'on est parvenu
à la suppression du patentage mais au prix d'un changement du
type d'acier. Il s'agit d'un acier,spécial, donc cher. D'autre
part, le tréfilage lui-même ne s'effectue pas à froid, mais à
mi-chaud, ce qui risque d'avoir des conséquences sur les
caractéristiques d'état de surface, celui-ci devenant trop
rugueux. Or, le laitonnage qui est nécessaire pour l'adhérence
, du fil d'acier au caoutchouc doit être effectué sur une surface
lisse. Des problèmes doivent surclir à ce niveau, que le
document considéré n'aborde pas. En outre, aux températures
du traltemen~, il y a risque de dégradation des lubrlfiants
de tréfilage.
Le brevet français numéro 1 495 846 décrit un procédé
d'écrouissage notamment de fil d'acier au carbone. Dans le
processus d'élaboration du fil fin, on remplace une opération
de patentage-et d'écrouissage à froid par un écrouissage à
mi-chaud : température comprise entre la température ambiante
et la température de recristallisation. Dans l'exemple, on part
d'un fil patenté que l'on tréfile à froid en plusieurs passes
jusqu'à la limite d'étirabilité. Ensuite, le fil est chauffé
par induction à une température comprise entre 100 et 500~C,
;: .
il est laminé à cette température, puis refroidi. Eventuelle-
ment, le fil peut ensuite subir une opération de tréfilage à
froid. Ce procédé constitue un compromis entre le -tréfilage
à froid et le tréfilage à chaud. Mais il présente des inconvé-
nients : d'une part, aux températures du traitement, la viscosité
- 3 -
~{37~
des lubrifiants de tréfilage diminue et il y a risque de
dégradation desdits lubrifiants , d'autre part, lors du
tréfilage, à ces températures, l'état de surface du fil se
dégrade et devient rugueux, ce qui rend le fil inapte au
laitonnage et exclut son emploi comme fil de renfort pour
pneumatiques. D'ailleurs, ce procédé conduit à des fils ou
éléments allongés utilisables pour la fabrication de ressorts
ou comme armatures de béton précontraint, non à des fils de
renfor-t pour pneumatiques.
Dans le-brevet français 2 053 414, on décrit un procédé . ..
de fabrication d'un fil d'acier à haute résistance, caractérisé
par le fait que le fil d'acier laminé est soumis successivement
à une série de passes de tréfilage ~ froid, à un recuit de
sphéroidisation, à un refroidissement jusqu'à une température
convenant pour effectuer le tréfilage final, puis à une deu-
xième opération de tréfilage à froid~ Le recuit de sphéroidisa-
tion conduit à la formation de cémentite globulisée. Or, en
métallurgie, on sait que la structure de l'acier, sous forme
de cémentite globulisée, est très préjudiciable aux propriétés
mécaniques. Cette structure se prête très mal à un tréfilage
ultérieur. Il faut donc s'attendre à de grandes difficultés
~ - lors de la mise en oeuvre de la deuxième série de passes de
~ tréfilage. :
.
La présente invention concerne un nouveau procédé . ...
d'élaboration d'un élément allongé en acier au carbone à résis-
tance élevée, par écrouissage, caractérisé par le fait que l'on
soumet d'abord l'élément allongé à une première opération de
réduction de section, à température ambiante, sensiblcment
jusqu'~ la limite d'étirabilité, ensuite à un traitement thermi- -
que a une température inférieure à la température de globulisa~tion de la cémentite, pendant un temps pouvant aller d'une
fraction de seconde à quelques minutes, de façon a lui redonner
- 4 -
~ . ... . . . ...
.79
une capacité d'étirabilité, puis à un refroidissement à
température ambian-te et à une deuxième opération ~e réduc-
tion de la section à température ambiante.
De préférence, le traitement thermique, le
refroidissement et la deuxième opération de réduction de
section, sont effectués en continu. Ces opérations se
déroulent ~ des vitesses élevées, pouvant aller jusqu'à
1000 mètres/minute et plus. La température du traitement
thermique, inférieure à la température de globulisation
de la cémentite, est de préférence comprise entre 400 et
~00 ~c .
La durée du traitement thermique doit être suffi-
sante pour porter le coeur de l'élément allongé à la tempé-
rature désirée comprise entre 400 et 600~C. Elle est fonc-
tion de la puissance du moyen de chauffe, de la vitesse de
défilement de l'élément allongé et de la grandeur de sa
section. D'une fa~on générale, la durée du traitement thermi-
que est comprise entre une fraction de seconde et quelques
minutes. Le maintien à température pendant plusieurs dizaines
de secondes, même s'il n'est pas nécessaire, n'est pas
préjudiciable.
Le refroidissement s'effectue de facon simple à
l'air libre. Dans le cas où les opérations à partir du
traitement thermique se succèdent en continu, il doit être ;
suffisamment rapide pour qu'à l'entrée de la première filière -
de tréfilage l'élément allongé soit revenu à température
ambiante.
La deuxième opération de réduction de section
effectuée à température ambiante, peut avantageusement être
suivie par un traitement de patentage, par un refroidissement
par un traitement de surface (par exemple laitonnage), et une
opération de réduction de section à température ambiante
- 5 -
~ .
- ~ . , '
. r7~
afin d'obtenir la section et les propriétés mécaniques
désirées.
Mais la deuxième opération de réduction de
section ~ te~pérature ambiante peut également être suivie
par un traitement thermique à une température comprise entre
400 et 600~C, un refroidlssement à température ambiante
et une troisième opération de réduction de section effectuée
à température ambiante.
L'acier utilisé est un acier contenant de 0,4
à 0,8 % de carbone avec éventuellement addition d'éléments
entrant habituellement dans la composition de ce type
diacier tels que manganèse, silicium.
Le présent procédé s'applique en particulier à
la fabrication de fil pour renfort de pneumatiques. Dans
ce cas, l'élément de départ est un fil dit "~il machine" :
c'est un fil apte au'tréfilage, en provenance de l'acitérie.
Selon la préparation habituelle, il a subi un traitement : .
de décalaminage, décapage, rinçage, et a reçu un revêtement
à la chaux, au borax, ou au phosphate pour favoriser le :' .
tréfilage. ~''
Le traitement mécano-thermique selon l'invention
permet, à relativement basse température, d'éliminer une
partie des dislocations et de redonner une capacité de . -
déformation au métal. . :
Ce traitement thermique permet d'éviter la diffusion '
des atomes de fer, ce qui aurait pour conséquence une .:coalescence de la cémentite très préjudiciable aux propriétés ..
mécaniques (une cémentite globulisée ne participe plus à la ~
déformation : les propriétés mécaniques sont alors celles '
de la matrice ferrique, donc très faibles). ~ '
Le traitement selon l'invention permet une grande
: ~' '
~ , .:. . . . . ..................................... :
.. . . . :
7~.~9
élimination des défauts tout en évitant la coalescence de la
cémentite.
Après traitement thermique à 400-600~C, l'élément
allongé pourrait éventuellement être soumis à un décapage à
l'acide. De même, avant chaque opération de réduction de
section, il pourrait recevoir le revêtement approprié (savons,
phosphates, borax). Cependant, le procédé d'élaboration selon
l'invention permet de se passer des opérations de décapage et
revêtement après traitement thermique. Le traitement thermique
entre 400 et 600~C ne dégrade ni les états de surface, ni les
revêtements. C'est un avantage important puisqu'il permet
l'économie de la ligne décapage revêtement, entraînant une
grande simplification.
Une forme avantageuse du traitement consiste à porter
l'élément allongé à une température de 400 à 600~C pendant
quelques secondes, à l'aide d'un inducteur haute fréquence par
exemple, ou d'un dispositif à effet Joule, ou de brûleurs à
gaz, etc...
Dans le cas de fabrication de fils, les fils obtenus -
~
par le procédé aelon l'invention présentent des propriétésmécaniques sensiblement meilleures que celles des fils obtenus
par le procédé classique utilisant le patentage ; la résistance
à la traction est sensiblement plus élevee, de même que la
dureté. Ces fils constituent un produit intéressant qui peut
trouver des utilisations dans la fabrication de câbles sous- -
marins, ressorts, câbles porteurs, câbles de manutention, etc...
Cependant, après traitement ultérieur de patentage et tréfilage,
les fils conviennent parfaitement comme renforts pour pneuma-
tiques. Ils présentent alors les mêmes propriétés mécaniques
que les fils obtenus par le procédé classique comportant deux
opérations de patentage avec, de plus, un meilleur comportement
à la fatigue.
- 7 -
:
Mais l'invention sera mieux comprise à l'aide de
l'exemple ci-après, donné à titre illustratif mais non limitatif :
il concerne la fabrication de fils pour renfor-t de pneumatiques.
- On part d'un fil d'acier laminé à 0,7 % de carbone
en provenance de l'aciérie ayant subi un refroidissement contrô-
lé, d'un diamètre de 5,5 mm. Ce fil, apte au tréfilage, est
d'abord décalaminé, décapé, rincé et re~coit un revêtement de
phosphate et de borax. Le fil est ensuite tréfilé à froid en
sept passes jusqu'au diamètre de 3 mm. Le fil, conformément
à l'invention, est alors soumis à un traitemen-t thermique à
400~C pendant quelques secondes à l'aide d'un inducteur-haute
fréquence asservi par un pyromètre infrarouge dans le but de
lui redonner une capacité d'étirabilité. En continu avec le
traitement thermique, le fil est refroidi à température ambiante
puis, toujours en continu, soumis à une nouvelle opération de
tréfilage à la température ambiante. On passe du diamètre 3 mm
au diamètre 1,25 mm en neuf passes. Le fil est réceptionné
sur un support. Le fil de 1,25 mm de diamètre subit une
::
opération classique de patentage, pour lui redonner une capacité
d'étirabilité et il est soumis en continu à un décapage dans
' un bain d'acide, un rin~cage à l'eau puis il re,coit un revêtement
de laiton par un procédé électrolytique. Le fil de 1,25 mm,
Iaitonné, rincé et séché, est soumis à sa dernière opération de
tréfilage où, en 19 passes, on obtient le fil fin de diamètre
~ .
0,25 mm. Ce fil est alors utilisable pour les opérations de
finissage telles que toronnage et câblage.
Le tableau ci-après donne les caractéristiques compa-
rées aux différents stades d'élaboration, d'un fil obtenu par
le procédé classique et d'un fil obtenu par le procédé selon
l'invention.(voir page 6) :
On constate que le fil fini (diamètre 0,25 mm) obtenu
par le procédé selon l'invention, et le fil fini obtenu par
- 8 -
le procédé classique, ont des propriétés mécaniques (RT, All)
équivalents. Les autres propriétés : torsion, pliage, sont
égalemen-t identiques et la fatigue du toron est supérieure.
Diamètre du fil Caracté- __
en mm ristlques ,.
patentage 1 lnventlon
.... __ ... .
Fil 5,5 RT 1040 MYa
All 10 %
Str 40 %
.. . "
Fil 3
prétréfilé RT 1510
All 3,4 ; -
Fil 3 + traite-
ment thermique RT 1180 1345
All 9,3 12,7
Str 55 43
.... ____ .
F~il 1,25 tréfilé ._. _ 1785 2273
Fil 1,25 patenté
laitonné RT 1205 1200
All 9,5 9,10
........ _._ ... _.. . .
Fil fin 0,25 RT 2760 2780
All 2,10 2,05
_ . .. .
RT - Résistance à la traction en Méga-Pascal
All = Allongement à la rupture en % mesuré sur 50 cm
Str = Striction.
Mais, au niveau du produit intermédiaire (fil 1,25 mm
tréfilé), le fil obtenu par le procédé selon l'invention présente
des propriétés mécaniques nettement supérieures à celles du fil
obtenu par le procédé classique. Ces propriétés sont exception-
nelles pour un fil de 1,25 mm de diamè-tre à 0,7 % de carbone,
obtenu à partir d'un fil d'acier de 5,5 mm, à refroidissement
controlé en acirie. Ce fil peut être employé dans des utilisa-
tions telles que câbles sous-marins, ressorts, etc... Le procédé
, ~'~., :'
_ 9 _
., ' '. ~.:
.
- . . . . . : : . - ~,
. .:
.
selon l'invention permet seul d'arriver directement à ce
résultat.
L'invention offre de nombreux avantages :
- remplacement du patentage par un procédé plus
simple, facilité de mise en oeuvre, matériel simplifié
donc moins coûteux ,
- pas de dégradation des états de surface ;
- pas de dégradation des revêtements ce qui permet - -
de supprimer les opérations de décapage et rev~etement après
le traitement thermique et avant le deuxième tréfilage, d'où
économie de matériel, de matières premières et d'énergie ;
- possibilité d'opérer en continu à partir du traite-
ment thermique et à grandes vitesses jusqu'à 1000 mètres/minute
et plus ; . ~ .
- obtention d'un produit présentant des propriétés
mécaniques supérieures à celles des produits obtenus par le
procédé classique - ce produit pouvant être considéré comme ~:
produit fini et utilisé tel quel Oll comme produit intermédiaire.
Dans ce dernier cas, il conduit à un produit fini (par exemple
fil pour pneus) présentant les mêmes propriétés que le produit
obtenu par le procédé cLassique.
~ - Ces résultats sont obtenus en conservant le type
d'acler au carbone habituelLement empLoyé.
Evidemment, l'invention ne se limite pas à l'exemple
ci-dessus ; elle est applicable à tous Les cas d'écrouissage
d'éléments allongés en acier au carbone tels que laminage de
profilés, tréfilages, etc.......................................... :
- 10 -
" ~ '
~; . . ........... . . . . .....
', . . ... . .
