Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
O 91/09933 PCT/FR90/00920
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Fil d'acier ayant une structure de type bainite inf ~ ~ $
écrouie ; procédé pour produire ce fil
L'invention concerne les fils métalliques et les procéd~s
pour obtenir ces fils. Ces fils sont utilisés par exemple
pour renforcer des articles en matières plastiques ou en
caoutchouc, notamment des tuyaux, des courroies, des nappes,
des enveloppes de pneumatiques.
Les fils de ce type couramment utilisés actuellement sont
constitués d'acier contenant au moins 0,6 % de carbone, cet
acier ayant une structure perlitique écrouie. La résistance à
la rupture de ces fils est environ de 2800 MPa (mégapascals),
leur diamètre varie en génëral de 0,15 à 0,35 mm, et leur
allongement à la rupture est compris entre 0,4 et 2 ~. Ces
fils sont réalisés par tréfilage d~un fil de départ, dit ~fil
machine~, dont le diamètre est de l~ordre de 5 à 6 mm, la
structure de ce fil machine étant une structure dure,
constituée de perlite et de ferrite avec un fort taux de
perlite qui est en général supérieur à 72 %. Lors de la
réalisation de ce fil, on interrompt au moins une fois
l'opération de trefilage pour effectuer un ou plusieurs
traitements thermiques qui permettent de régénérer la
structure initiale.
, ^ .
Ce procédé présente les inconvénients suivants :
la matière première est coûteuse, car le taux de carbone
est relativement élevé ;
les paramètres ne peuvent pas etre modifiés facilement, en
particulier le diamètre du fil machine et le diamètre final
sont maintenus dans des limites rigides, le procédé
manquant donc de souplesse ;
la grande dureté du fil machine du~e à sa structure
fortement perlitique rend le tréfilage difficile, avant le
traitement thermique, de telle sorte que le taux de
~ '
' .
, .
' ! , . . . : . '
. ' ' ' ' ' , ' , , ' .~ , . . , . ' ' . .
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- 2 - hl~J~-
J
déformation ~ de ce tréfilage est nécessairement inférieur
3 ; d'autre part les vitesses de ce tréfilage sont
faibles et il peut y avoir des casses du fil lors de cette
opération.
D'autre part, les fils eux-mêmes ont une résistance à la
rupture parfois insuffisante, et leur résistance à la fatigue
est limitée, par suite probablement d'un endom~.agement de ces
fils lors du tréfilage avant le traitement thermique, à cause
de la grande dureté du fil machine.
La demande de brevet japonais publiée sous le n 54-79119
décrit un procédé pour préparer un fil en acier au bore de
st~ucture bainitique par chauffage dans un lit fluidisé. Les
fils obtenus se caractérisent par des propriétés mécaniques
faibles.
Le but de l'invention est de proposer un fil métallique
écroui ayant une structure non perlitique et présentant une
résistance à la rupture et un allongement à la rupture au
moins aussi élevés que;les fils d'acier perlitiques écrouis
connus, et un plus faibie endommagement que les fils connus.
Un autre but de l'invention est de proposer pour réaliser ce
fil un procédé qui ne présente pas les inconvénients
précités.
Le fil métallique conforme à l'invention présente les
caractéristiques suivantes :
:.
a) il est constitué au moins en partie par un acier ayant une
teneur en carbone au moins égale à 0,1 ~ et au plus égale
--
' ' ' ,
.: , . . :: . : : : :
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- 3 -
,
'
~ 0,6 %, et une teneur en bore inférieure ~ 8 ppm (parties
par million) ;
b) l'acier du fil pr~sente une structure de type bainite
inférieure écrouie ;
c) le diamètre du fil varie de 0,10 à 0,40 mm ; -
d) la résistance à la rupture du fil est au moins égale à
2800 MPa ;
e) l'allongement à la rupture du fil est au moins égal à -
0,4 ~.
Le procédé conforme ~ l'invention pour produire ce fil est
caractérisé par les points suivants :
a) on écrouit un fil machine en acier, cet acier ayant une
teneur en carbone au moins égale à 0,1 % et au plus égale
à 0,6 % et une teneur en bore inférieure à 8 ppm (parties
par million), cet acier comportant de 28 ~ à 90 ~ de
ferrite proeutectoïde et de 72 % à 10 % de perlite ; le
taux de déformation de cet écrouissage étant au moins
égal à 3 ;
`~ b) on arrete l'écrouissage et on effectue un traitement
thermique structural unique sur le fil écroui ; ce
traitement consiste à chauffer le fil au dessus du point
de transformations AC3 pour lui donner une structure
d'austénite homogène, puis à le refroidir rapidement à une
température comprise entre 350C et 450C, la vitesse de
ce refroidissement étant au moins égale à 250C/seconde,
et à le maintenir dans cette plage de température pendant
; un temps au moins égal à 30 secondes, de façon à obtenir
une structure de type bainite inférieure comportant des
précipités de carbures répartis de façon pratiquement
homogène dans une matrice ferritique ;
-- ' .
. . . ~ -
~ ~ WO91/09933 PCTIFR90/00920
`: ;
- 4 - ~3
:`
,, .
. .
~ c) on refroidit le fil à une température inférieure ~ 0,3 TF,
;!' TF étant la température de fusion de l~acier, exprimée en
-' Kelvin ;
. ~ . .
d) on effectue un écrouissage sur le fil ayant subi ce
traitement thermique, la température du fil lors de cet
écrouissage étant inférieure à 0,3 TF, le taux de
déformation de cet écrouissage étant au moins égal à 3.
;~ L'invention concerne également les assemblages comportant au
moins un fil conforme à 1'invention.
.;
~ L'invention concerne également les articles renforcés au
. ~,
moins en partie par des fils ou des assemblages conformes aux
définitions précédentes, de tels articles étant par exemple
des tuyaux, des courroies, des nappes, des enveloppes de
pneumatiques.
, .~ . .
L'invention sera aisément comprise à l'aide des exemples de
réalisation qui suivent, et des figures toutes schématiques - ~-
~¦ relatives à ces exemples.
:.' '
~ Sur le dessin :
:,, :' .
~ - la figure 1 représente la structure de l'acier d'un fil
'R avant traitement thermique, lors de la mise en oeuvre du
-' procédé conforme à l'invention ;
` - la figure 2 représente la structure de l'acier d'un fil
après traitement thermique, lors de la mise en oeuvre du
procédé conforme à l'invention ;
-` - la figure 3 représente la structure de l'acier d'un fil
conforme à l'lnvention.
:~,
. .
,
, .. , . , , . . ~ , .
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- 5 ~ 9~
Dans ce qui suit, tous les pourcentages et ppm de composition
indiqués sont en poids et les mesures de résistance ~ la
rupture et d'allon~ement à la rupture sont effectuées selon
la méthode AENOR NFA 03-151.
Par définition, le taux de déformation r d~un écrouissage est
donné par la formule r = Ln ~
Ln étant le logarithme népérien,
So étant la section initiale du fil avant cet écrouissage et
Sf étant la section du fil après cet écrouissage.
Le but des exemples qui suivent est de décrire la préparation
et les propriétés de trois fils conformes à l'invention.
On utilise dans ces exemples un fil machine non écroui de
5,5 mm de diamètre. Ce fil machine est constitué d'un acier
dont les caractéristiques sont les suivantes :
- teneur en carbone : 0,4 % . --
- teneur en bore : inférieure à 8 ppm ;
- teneur en manganèse : 0,4 % ;
- teneur en silicium : 0,2 % ;
- teneur en phosphore : 0,015 % ;
- teneur en soufre : 0,02 % ;
~ teneur en aluminium : 0,015 % ;
- teneur en azote : 0,005 % ;
- teneur en chrome : 0,05 % ;
- teneur en nickel : 0,10 % ;
- teneur en cuivre : 0,10 % ;
- teneur en molybdène : 0,01 % ;
- teneur en ferrite proeutectoïde : 53 %
- teneur en perlite : 47 ~
. .
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:, .: . ..
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- 6
~' ,
- température de fusion de l'acier, TF : 1795 K
- résistance à la rupture Rm : 700 MPa ;
- allongement à la rupture Ar : 17 %
On réalise avec ce fil machine trois fils conformes à
l'invention de la façon suivante :
Exemple_1
On décalamine le fil machine, on l~enduit d~un savon de
tréfilage, par exemple du borax, et on le tr~file à sec pour
obtenir un fil de diamètre 1,1 mm, ce qui correspond à un
taux de déformation légèrement supérieur à 3,2. ~.
,
Le tréfilage est réalisé facilement grâce à la structure
relativement ductile du fil machine. A titre d~exemple, un
acier à 0,7 % de carbone non écroui présente une résistance à
la rupture Rm d'environ 900 MPa et un allongement à la
rupture de 8 % environ, c'est-à-dire qu'il est nettement
moins ductile.
Le tréfilage précédemment décrit est effectué à une
température inférieure à 0,3 TF, dans un but de
simplification, bien que cela ne soit pas indispensable, la
temperature de tréfilage pouvant éventuellement égaler ou
dépasser 0,3 TF. ~ .
' , .
La figure 1 représente la coupe longitudinale d~une portion 1
de la structure du fil ainsi obtenue. Cette structure est
constituée de blocs allongés 2 de cémentite et de blocs
allongés 3 de ferrite, la plus grande dimension de ces blocs
étant orientée dans la direction de tréfilage.
. .
:
WO91~09s33 PCT/FR90/00920
_ 7 2~g~9
On effectue alors sur le fil ainsi obtenu le traitement
thermique suivant :
- on chauffe le fil pour le porter ~ 900C, c~est-à-dire au
dessus du point de transformation AC3, et on le maintient
~, pendant 1 minute à cette température de façon à obtenir une
structure d'austénite homogène ;
- on refroidit ensuite le fil à 400C dans un bain de sel en
moins de 2 secondes, et on maintient le fil à cette
. température pendant 1 minute, puis on le refroidit à
`, environ 20C, c'est-à-dire à la température ambiante.
-
La figure 2 représente une coupe d~une portion 4 de lastructure du fil ainsi obtenu. Cette structure, de type
bainite inférieure, est constituée de précipités de carbure
5, répartis de façon pratiquement homogène dans une matrice 6
de ferrite. Cette structure est obtenue grace au traitement
thermique précédent, et elle est conservée lors du
refroidissement à la temp~rature ambiante. Les précipit~s S
ont en général des dimensions au moins égales à 0,005 ~m
(micromètre) et au plus égales à 0,S ~m.
:j
Le fil ainsi obtenu par ce traitement thermique et ce
refroidissement à la température ambiante est revetu d'une
couche de laiton. L~épaisseur de cette couche de laiton est
faible (de l'ordre du ~m) et elle est négligeable par rapport
au diamètre du fil avant laitonnage. On réalise ensuite un
tréfilage humide de ce fil de façon à obtenir un diamètre
final de 0,2 mm, ce qui correspond pratiquement à = 3,4. Le
tréfilage est facilité par la couche de laiton. La
température du fil, lors de ce tréfilage, est nécessairement
inféFieUre à 0~3 TF
ii , . . .
:,; ,
- . . .; - . - . ... . .
; . .,~.
W~91/09933 PCT/FR9OtO0920
- 8 ~
La figure 3 représente une coupe longitudinale de la portion
7 de ce fil conforme à l'invention ainsi obtenu. Cette
portion 7 présente une structure de type bainite inférieure
écrouie constituée de carbures 8 de forme allongée qui sont
pratiquement parallèles entre eux et dont la plus grande
dimension est orientée selon l~axe du fil, c~est-à-dire selon
la direction de tréfilage schématisée par la flèche F à la
figure 3. Ces carbures 8 sont disposés dans une matrice
ferritique écrouie 9.
Ce fil conforme à l'invention a une résistance à la rupture -
de 3200 MPa et un allongement à la rupture de 0,7 %.
Exemple 2
On décalamine le fil machine, on l'enduit d'une couche de ::
savon de tréfilage, par exemple du borax, et on le tréfile à
sec pour obtenir un fil de diamètre 0,9 mm, ce qui correspond
à un taux de déformation e légèrement supérieur à 3,6. La ~:
structure obtenue est analogue à celle représentée à la
figure 1. On effectue alors sur le fil ainsi obtenu le
traitement thermique suivant : :
- on chauffe le fil de la meme façon que dans l'exemple 1
pour obtenir une structure d'austénite homogène ;
- on refroidit ensuite le fil à 370~C en moins de 2 secondes
et on le maintient à cette température pendant 90 secondes,
puis on le refroidit à la température ambiante.
La structure obtenue est analogue à celle représentée à la
figure 2. On laitonne alors le fil et on le tréfile de facon
. . " : ' . . ' ~ ' : . , : . , ' ,
' WO91!09933 PCT/FR90/00920
'~
- 9 - ~a~3
analogue ~ l~exemple 1 pour obtenir un diamètre final de 0,17
mm, ce qui correspond pratiquement à = 3,3 La température
du fil lors de ce tréfilage est inférieure à 0,3 TF. Le fil
conforme à l~invention ainsi obtenu a une structure analogue
à celle représentée à la figure 3.
Ce fil a une résistance à la rupture égale à 3000 MPa et un
allongement à la rupture égal à 0,9 %.
Exemple_3
On réalise un fil conforme à l'invention de la même façon que
dans l'exemple 1 mais avec la différence que le tréfilage
effectué après le traitement thermique est poursùivi jusqu'au
diamè~re final de 0,17 mm, ce qui correspo~,d pratiquement à
= 3,7. Ce fil conforme à l'invention a une résistance à la
rupture égale à 3500 MPa et un allongement à la rupture égal
à 0,7 %. Les'structures intermédiaires et la structure finale
sont analogues aux structures précédemment décrites. '
: :
'i L'invention présente les avantages suivants :
. .
on part d'un fil machine à faible taux de carbone, et donc
d'un coût peu élevé ;
on bénéficie d'une grande souplesse dans le choix des ~ -
diamètres des fils, c'est ainsi par exemple qu'on peut
utiliser des fils machines dont le diamètre est notablement
supérieur à 6 mm, ce qui réduit encore les coûts, et on
peut réaliser des fils très variés en diamètra ;
le tréfilage avant le traitement thermique structural est
relativement aisé~, de telle sorte que le taux de
.. ...
:~.
~j
.,
~' .
. ~
. . .
.
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.~
- 10~
déformation r de ce tréfilage peut être supérieur à 3 ;
d'autre part, ce tréfilage peut être réalisé avec des :~ :
vitesses élevées ; enfin on réduit la fréquence des casses
de fils et des changements de filières, ce qui réduit
encore les coûts ;
- le fil obtenu présente une résistance à la rupture et un
allongement à la rupture de valeurs au moins égales à
' celles des fils classiques, ce qui se traduit donc par une -
énergie de rupture au moins égale à celle des fils
classiques ;
~ .
- le fil est moins endommagé lors du tréfilage avant ~- -
traitement thermique ; : :
- le fil obtenu presente une meilleure résistance à la
corrosion que les fils classiques par suite de sa faible
teneur en carbone.
De préférence, l'acier du fil conforme à l'invention a une
teneur en carbone au.moins égale à 0,2 % et au plus égale à
O,5 %.
~ .
De préférence, dans l'acier du fil conforme à l'invention et
donc dans le fil machine de départ, on a les compositions
suivantes : 0,3 % s Mn s 0,6 % ; 0,1 % s Si s 0,3 % ;
P s 0,02 % ; S 5 0,02 % ; Al s 0,02 % ; N s 0,006 %.
Avantageusement dans l'acier du fil conforme à l'invention et
donc dans le fil machine de départ, on a les relations
suivantes : Cr s 0,06 % ; Ni 5 0,15 % ; Cu s 0,15 % ;
Mo s 0,015 %.
.. . .
'
..-.......
,, .
,
. . WO91/09933 PCT/FR90/00920
.
De préférence, dans le procédé conforme à l~invention, on a
au moins une des caractéristiques suivantes : .
- le fil machine de départ a une teneur en carbone au moins
égale à 0,2 % et au plus égale à 0,S ~ ;
- le fil machine de départ a une teneur en ferrite
proeutectoïde au moins égal ~ 41 %, et au plus égale à 78
et une teneur en perlite au moins égale ~ 22 % et au plus
égale à 59 % ;
- le taux de déformation e lors de l~écrouissage avant le
traitement thermique structural est au plus égal à 6 ;
- le taux de déformation ~ lors de l'écrouissage après le
traitement thermique strùctural est au plus égal à 4,5.
Dans les exemples précédemment décrits, le fil après ~
traitement thermique était laitonné pour faciliter son , -
tréfilage, cependant l'invention couvre les cas où on utilise
d'autres coulants de tré`filage que le laiton, par exemple le
cuivre, le zinc, les alliages ternaires cuivre-zinc-nickel,
cuivre-zinc-cobalt, cuivre-zinc-étain, ces coulants étant
autres que l'acier.
L'écrouissage du fil dans les exemples précédents est réalisé
par tréfilage, mais d'autres techniques sont possibles, par
exemple un laminage, associé éventuellement à un tréfilage,
pour au moins une des opérations d'écrouissage.
Bien entendu, l~invention n'est pas limitée aux exemples de
réalisation précédemment décrits.
. . .
.. ..., ~ . .. . . . .. , . ; ~.
- ~
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