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FIL METALLIøUE COMPORTANT UN SUBSTRAT EN AC¿ER AYANT
UNE STRUCTURE DE TYPE MARTENSITE REVENUE ECROUIE, ET UN
REVETEMENT
L'invention concerne les fils en acier et les procédés 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 MFa (mégapascals),
leur diamètre varie en général de 0,15 à 0,35 mm, et leur
allongement à la rupture est compris entre 0,4 et 2 g. Ces
fils sont réalisés par tréfilage d'un fil de départ, dit "f.il
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 tréfilage pour effectuer un ou plusieurs
traitements thermiques qui permettent de régénérer la
structure initiale. Après le dernier traitement thermique, un
dép6t d'alliage, par exemple de laiton, sur Ie fil est
nécessaire pour que la dernière opération de tréfilage
s'effectue correctement.
Ce procédé présente les inconvénients suivants .
- la matière première est coùteuse, car le taux de carbone est
relativement élevé ;
- les paramètres ne peuvent pas ètre modifiës facilement, en
w'0 92/ 14811 PCT/FR92/001 ".
;:, .,.:..,i ~T - 2
particulier le diamètre du fil machine et le diamëtre final
sont maintenus dans des limites rigides, le procédé manquant
donc de souplesse ;
- la grande dureté d~~ fil machine due à sa structure fortement
perlitique rend le tréfilage difficile, avant le traitement
thermique, de telle sorte que le taux de déformation ~ de ce
tréfilage est nécessairement inférieur à 3 ; d'autre part les
vitesses de ce tréfilage sont faibles et il peut y avoir des
casses du fil lors de cette opération ;
- l'opération d'un dépôt d'alliage, par exemple de laiton, est
une étape nécessaire au procédé et n'est pas intégrée à
l'étape de traitement thermique qui la précède.
D'autre part, les fils eux-mémes ont une résistance à la
rupture et une ductilité à la rupture parfois insuffisante,
et ils présentent un endommagement important par suite du
tréfilage avant le traitement thermique, à cause de la granàe
dureté du fil machine.
Le but de l'invention est de proposer un fil d'acier écroui et
revêtu d'un alliage métallique, l'acier de ce fil ayant une
structure non perlitique écrouie et présentant une résistance
à la rupture et un allongement à Ia rupture au moins aussi
élevés que les fils d'acier perlitiques écrouis connus, et
un moindre endommagement par tréfilage 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, comportant un
substrat et un revêtement, présente les caractéristiques ,
suivantes
a) il comporte un substrat en acier ayant une teneur en
¿
/ ~i ~ :~ r' r
'U 92/14811 PCT/FR92/Oi1134
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carbone au moins égale à 0,05 % et au plus égale à
0,6 % ;
b) cet acier prësente uns structure comportant plus
àe 90 s de marter.site revenue écrouie ;
c) le substrat est revêtu d'un alliage mêtallique autre que
l'acier ;
d) le diamètre du fil est au moins égal à 0,10 mm et au plus
égal à 0,40 mm ;
e) la résistance à la rupture du fil est au moins égale à
2800 MPa ;
f) l'allongement à ia rupture du fil est au moins égal à
0,4 %.
Le procédé conforme à l'inventicn pour produire ce fil en aci_r
revêtu 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 0,05 % et au plus ëgale ~~
0,6 %, cet acier comportant de 28 % à 96 % de ferrite
proeutectoïde et de 72 % à 4 % de perlite ; le taux de
déformation e de cet écrouissage étant au moins égal à 3 ;
b) on arréte l'écrouissage et on effectue un traitement
thermique de trempe sur le fil écroui, ce traitement
consistant à chauffer le fil au-dessus du point de
transformation AC3 pour lui donner une structure
d'austénite homogène, puis à le refroidir rapidement au
dessous du point de fin de transformation martensitique
,MF, la vitesse de ce refroidissement étant au moins égale
à 150°C/seconde, de façon à obtenir une structure
comportant plus de 90 % de martensite ;
c) on effectue ensuite sur le fil un dépôt d'au moins deux
mëtaux susceptibles de former par diffusion un alliage,
l'acier servant ainsi de substrat ;
d) on chauffe ensuite le fil à une température au moins égale
à 0,3 TF et au plus égale à 0,5 TF, de façon à provoquer
1V0 92/4,4$1 C': '.;',~'~ J~° PCf/FR92/001:
w.
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la formation, par diffusion, d'un alliage de ces métaux
déposés, ainsi que la formation, pour l'acier, d'une
structure comportant plus de 90 ~ de martensite revenue,
Tt étar.~ la température de fusion de l'acier, exprimée e::
Kelv in ;
e) on refroidit ensuite le fil à une température inférieure à
0,3 TF ;
f) on effectue ensuite un écrouissage sur Ie fil, la
température du fil lors de cet écrouissage étant inférieure à
0,3 TF, ~e taux de déformation e de cet écrouissage étant au
moins égal à 1.
L'inventio~ concerne également les assemblages comportant a,.
moins un fil canfcrme à l'invention.
L'invention concerne également les articles renforcés au mois
en partie par des fils ou des assemblages conformes aux
définitions précédentes, de tels articles étant par exemples des
tuyaux, des courroies, des nappes, des enveloppes de
pneumatiques.
L'invention sera aisément comprise à l'aide des exemples de
rêalisation 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 avant
lés traitements thermiques, 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
le traitement thermique de trempe, lors de la mise en oeuvre
du procédé conforme à l'invention ;
- la figure 3 reprësente la structure de l'acier d'un fil
;l i5 fa p r
VO 92/14811 M Z~ v :.~ r.~ ! (,, PCTlFR92/00134
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laitonné, lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à
l'invention ;
- la figure 4 représente la structure de l'acier d'un fil
conforme à l'invention.
Dans ce qui suit, tous les pourcentages indiqués sont en
poids et les mesures de résistance à la rupture et d'allongemen:.
à la rupture sont effectuées selon la méthode AFNOR NFA 03-151.
Par définition, le taux de déformation e d'un écrouissage est
donné par la formule e = Ln S°, 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 gui suivent est ds décrirs 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
- teneuren carbone 0,4 g ;
.
- teneuren manganse 0,5 % ;
.
- teneuren silicium 0,2 ~ ;
.
- teneuren phospore 0,015 % ;
.
- teneuren soufre . 0,02 ~ ;
- teneuren aluminium 0,015 % ;
.
- teneuren azote . 0,005 ;
- teneuren chrome . 0,05 ;
- teneuren nickel . 0,10 ;
- teneuren cuivre . 0,10 ~ ;
- teneuren molybdne 0,01 ~ ;
.
- teneuren ferrite
proeutectode
: 53 ~
;
- teneuren perlite ~ ;
: 47
température de fusion de l'acier, TF : 1795 K ;
ffO 92/14811 t'~'~ PCT/FR92/001'
n n~i ; ~~ "~ ,,a
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- point de fin de transformation mar.tensitique NF : 150°C ;
- 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 Bacon suivante .
Exemple 1
On décalamine le fil machine, on l'enduit d'un savon de
tréfilage, par exemple du borax, et on tréfile à sec pour
obtenir un fil àe à~.amétre 1,1 mm, ce qui correspond à un
taux de déformation ~ légèrement supérieur à 3,2.
Le tréfilage est réalisé facilement gràce à la structure
relativement àuctile 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
Ar de 8 ô environ, c'est-à-dire qu'il est nettement moins
ductile
A titre d'exemple, ce tréfilage est effectué à une température
inférieure à 0,3 TF, dans un but de simplification, bien que
cela ne soit pas indispensable, la température de tréfilage
pouvant éventuellement égaler ou dépasser 0,3 TF.
La figure 1 représente la coupe 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.
On effectue aîors sur le fil ainsi obtenu les traitements
thermiques suivants . ,
YO 92/14811 .:.. L; {' ~'~ :~ ~,r ;~y HCT/FR92/0013-t
_ 7 _
- on chauffe le fil par convection dans un four à mouffle
pour le porter à 950°C, c'est-à-dire au dessus du point de
transformation AC3, et on le maintient pendant 30 secondes
à cette température de fa; on à obtenir une structure
d'austénite homogène ;
- on refroidit ensuite le fil, dans un anneau gazeux, produis
par une turbine, jusqu'à une température de 75°C,
c'est-à-dire en dessous du point de fin de transformation
martensitique MF (Martensite Finish) en moins de 3,5
secondes de façon à obtenir une structure comportant plus
de 90 ô de martensite en lattes.
La figure. 2 représente une poupe d'une portion 4 de la
structure ainsi obtènue, les lattes de martensite étant
représentées par la référence S.
Le fil est ensuite dégraissé. Ensuite on le cuivre, puis on
le recouvre de zinc par voie électrolytique à la
température ambiante. On le traite ensuite thermiquement
par effet joule à 540°C (813 K} pendant 2,5 secondes, puis
on le refroidit à la température ambiante (environ 20°C,
soit 293 K}.
Ce dernier traitement permet d'obtenir du laiton par
diffusion du cuivre et du zinc, ainsi que, pour l'acier,
une structure comportant plus de 90 ~ de martensite
revenue. L'épaisseur de cette couche de laiton est faible
(de l'ordre du micromètre) et elle est négligeable par
rapport au diamètre du fil.
La figure 3 représente une coupe d'une portion 6 de la
structure du fil ainsi obtenu. Cette structure comporte des
prëcipités de carbures 7, répartis de façon pratiquement
homogène dans une matrice 8 de type ferritique. Cette
structure est obtenue grâce aux traitements thermiques
~1'O 92/ 14811 PCT/FR92/001?
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w Z~ v .' u.i 1 i r -
précédents, et elle est conservée lors du refroidissement à
la température ambiante. Les précipitês 7 ont en général des
àimensions au moins égales à 0,005 rem (micromètre) et au plus
égales à 1 gym.
On réalise ensuite u:, tréfilage humide de ce fil de façon z
obtenir un diamètre final de 0,2 mm, ce qui correspond
pratiquement à E = 3,4. La température du fil, lors de ce
tréfilage, est nécessairement inférieure à 0,3 TF.
L'épaisseur àe laiton du fil ainsi tréfilé est très faible,
de l'ordre du dixième de micromètre.
La figure 4 représente une coupe longitudinale de la portion
9 d2 l'acier de ce fil conforme à l'invention ainsi obtenu.
Cette portion 9 présente une. structure de type martensite
revenue écrouie constituée da carbures 20 àe 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 4. Ces carbures 10 sont disposés dans
une matrice écrouie I1.
Ce fil conforme à l'_nvention a une résistance à la rueture d2
3000 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 corresponw
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 les
traitements thermiques suivants .
IV
'''U 92/14811 u ' '~ PCT/FR92/0013d
g -
On chauffe le fil par effet joule pour le porter à 1000°C,
pendant 3 secondes, c'est-à-dire au dèssus du point de
transformation AC3 de façon à obtenir une structure
d'austénite homogène. On refroidit ensuite le fil dans un
bain d'huile jusqu'à une température de 100°C, c'ést-à-dire
en dessous du point de fin de transformation MF" en moins de
3 secondes de façon à obtenir une structure comportant plus
de 90 $ de martensite en lattes, la structure du fil obtenu
étant conforme à Ia figure 2.
Le fil est ensuite dégraissé. Ensuite on le cuivre, puis on
le recouvre de zinc par voie électrolytique à la témpérature
ambiante. On le traite ensuite thermiquement par effet joule
à 540°C (813 K) pendant 2,5 secondes, puis on le refroidit à
la température ambiante, ces traitements étant identiques à
l'exemple 1.
La structure obtenue pour ce fil ainsi laitonné est analogue
à celle représentée à la figure 3. On tréfile alors le fil
par voie humide de façon à obtenir un diamètre final de 0,17
mm, ce qui correspond pratiquement à'E = 3,3. La température
du fil lors de ce tréfilage est inférieure à 0,3 TF. L'acier
du fil conforme à l'invention ainsi obtenu a une structure
analogue à celle représentée à la figure 4.
Ce fil a une résistance à la rupture égale à 2850 MPa et un
allongement à la rupture égal à 1 $.
Exemple 3
Un fil de diamètre 1,1 mm obtenu de la même façon que dans
l'exemple 1 par tréfilage du fil machine est chauffé par
effet joule à 1000°C, pendant 3 secondes, c'est-à-dixe au
dessus du point de transformation AC3 de façon à obtenir une
WO 92/1481 I r, ~.~ PCT/FR92/001.
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.°I ~ ~~':, - 10
",
structure d'austénite homogène.
On refroidit ensuite le fil, dans un anneau gazeux produit
par une turbina, jusqu'à une température de 100°C,
c'est-à-dire en dessous du point de fin de transformation Mr,
en moins de 3 secondes, de façon à obtenir une structure
comportant plus de 90 ~ de martensite en lattes.
Le fil est ensuite cuivré puis zingué par voie
électrolytique, à la température ambiante puis traité
thermiquement par effet joule à 500°C (773 K) pendant
seconde . On le refroidit ensuite à la température
ambianté, le fil ainsi laitonné est alors tréfilé par voie
humide à une température inférieure à 0,3 TF jusqu'au
diamètre 0,17 mm, ce qui correspond pratiquement à e = 3,7.
Ce fil, conforme à l'invention a une résistance à la rupture
égale à 3200 MPa et un allongement à la rupture égal à 0,6 ô.
Les structures intermédiaires et la structure finale sont
analogues aux structures précédemment décrites.
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 diamètre ;
- le tréfilage avant les traitements thermiques est
relativement aisé, de telle sorte que le taux de
déformation e de ce tréfilage peut être supérieur à 3 ;
d'autre part, ce tréfilage peut être réalisë avec des ,
vitesses élevées ; enfin on rêduit la fréquence des casses
~n~
,'.,
''VO 92/14811 PC'I'/FR92/Ol)13.t
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de fils et des changements de filières, ce qui réduit
encore les coûts ;
- le traitement de diffusion pour obtenir l'alliage est '
effectué en même temps que le revenu du fil, ce qui évite
une opération supplémentaire de diffusion et limite donc
les coûts de fabrication tout en permettant un traitement
global en ligne du fil, depuis le fil machine jusqu'au fil
final ;
- 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 présente une meilleure résistance à la corrosion
que les fils classiques par suite de sa faible teneur en
carbone.
Lors du traitement de trempe effectué à partir de l'austénite
homogène, depuis une température supérieure au point de
transformation AC3 jusqu'à une température inférieure à MF,
étant donné que la vitesse de refroidissement est au moins
égale à 150°C, conformément à l'invention, moins de 10 ~ de
l'austénite homogène se transforme avant d'atteindre la
température correspondant au point du début de transformation
martensitique (MS), de telle sorte que la structure, à la fin
de cette trempe, comporte plus de 90 ~ de martensite, cette
structure pouvant être constituée en totalité de~ martensite.
De préférence, la martensite obtenue après la trempe a une
structure en lattes, comme décrit dans les exemples.
De préférence, l'acier du fil conforme à l'invention, et donc
le fil machine de départ, a une teneur en carbone au moins
égale à 0,2 ~ et au plus égale à 0,5
1i'0 92/ l4ft 1 I PCT/ FR92/00 I
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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 ~ = Mn = 0, 6 ~ ; 0, 1 ~ _< Si = 0, 3 ~ ;
° ~ 0, 02 ~ ; S ~ 0, 02 $ ; A1 <_ 0, 02 ~ ; N _< 0, 006 ~ .
Avantageusement dans l'acier du fil conforme à l'invention et
donc dans le fil machine de départ, on a les compositions
suivantes : Cr s 0,06 ~ ; Ni ~ 0,15 ô ; Cu <_ 0,15 $ ;
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 ferrite proeutectoïde
au moins égale à 41 ~, et au plus égale à 78 ô et une teneur en
perlite au moins êgale à 22 ~ et au plus égale à 59 ô ;
- le taux de déformation e lors de î'écrouissage avant les
traitements thermiques est au moins égal à 3,2 et au plus
égal à 6 ;
- le taux de déformation e lors de l'écrouissage final après
les traitements thermiques est au moins égal à 3 et au plus
égal à 5 ;
- le traitement thermique de trempe est effectué avec une
vitesse de refroidissement au moins égale à 250°~/seconde.
L'écrouissage du fil dans les exemples précédents est réalisé
par tréfilage, mais d'autres techniques sont possibles, pas
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, c'est ainsi par exemple que l'invention
s'applique aux cas où on réalise un alliage autre que le
~~' ~~ l1 t ~ i ~ m - ~
L~ ~,J
'O 92/14811 ''~ PCTIFR92/00134
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laiton, avec deux métaux, ou plus de deux métaux, par exemple
les alliages ternaires cuivre - zinc - nickel, cuivre - zinc
- cohalt, cuivre - zinc - étain, l'essentiel étant que les
métaux utilisés soient susceptibles de former un alliage, par
diffusion, à une température au moins égale à 0,3 TF et au
plus égale à 0,5 TF.
