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IY 96/02
FIL EN ACIER INOXYDABLE ET PROCEDE DE FABRICATION
La présente invention concerne un fil en acier inoxydable de petit diamètre
ayant des caractéristiques mécaniques élevées, utilisable notamment pour la
fabrication de ressorts ou de fils de renforcement d'élastomères.
s On connaît des fils tréfilés fins, ayant des caractéristiques mécaniques
très
élevées, constitués d'un acier inoxydable austénitique instable du type 1.4310
(selon les normes EN 10088 et Pr EN 10270.3) dont l'analyse chimique
comprend, en poids, de 16 à 19 % de chrome, de 6 à 9,5 % de nickel, au plus
0,8
de molybdène, au plus 0,11 % d'azote et de 0,05 à 0,15 % de carbone. Les
io caractéristiques mécaniques obtenues pour le fil tréfilé résultent à la
fois de
l'écrouissage et de la formation de martensite a' engendrée par l'écrouissage
- résultant du tréfilage. Ces fils peuvent être utilisés pour la fabrication
de ressorts
qui sont obtenus par mise en forme du fil puis traitement thermique de
relaxation
et de durcissement. Cette technique présente au moins un inconvénient qui
is résulte de la consolidation très importante durant le tréfilage. Du fait de
l'importance de cette consolidation, lorsque le diamètre du fil est petit, il
ne peut
ëtre obtenu qu'en plusieurs cycles alternant tréfilage et traitement thermique
d'hypertrempe. Cela complique la fabrication et augmente son coût.
On connaît également des fils tréfilés fins, ayant des caractéristiques
2o mécaniques très élevées, utilisables notamment pour la fabrication de
ressorts,
constitués d'un acier inoxydable austénitique à durcissement secondaire par
précipitation de NIAI, du type 1.4568 (selon la norme EN 10088 et Pr EN 10270)
dont l'analyse chimique comprend, en poids, de 16 à 18 % de chrome, de 6,5 à
7,8 % de nickel et de 0,7 à 1,5 % d'aluminium.
2s Cette technique présente l'avantage de permettre de fabriquer les ressorts
à partir d'un fil de caractéristiques mécaniques sensiblement inférieure aux
caractéristiques mécaniques souhaitées pour le ressort, ce qui facilite la
réalisation de l'opération de mise en forme. En effet, les caractéristiques
mécaniques finales peuvent être obtenues par un traitement thermique de
so vieillissement qui engendre un durcissement par précipitation. Par contre,
cette
technique présente d'une part l'inconvénient d'utiliser des nuances d'acier
contenant des éléments facilement oxydables ou nitrurables qui engendrent la
formation d'inclusions néfastes pour la tenue en fatigue des ressorts, d'autre
part
ces nuances d'acier conduisent, comme dans le cas précédant, à une
3s consolidation très importante pendant le tréfilage ce qui nécessite, de la
même
façon, une succession de cycles alternant tréfilage et traitement
d'hypertrempe.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en
proposant un fil en acier inoxydable austénitique durcissable par
précipitation,
ayant, à l'état écroui avant vieillissement, une résistance à la traction
supérieure à
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2200 MPa pour un diamètre compris entre 0,4 et 0,5 mm, supérieure à 2225 MPa
pour un diamètre compris entre 0,3 et 0,4 mm, supérieure à 2250 MPa pour un
diamètre compris entre 0,2 et 0,3 mm, supérieure à 2275 mm pour un diamètre
inférieur à 0,2 mm, et qui soit facile à tréfiler ou à laminer à froid.
s Ce fil peut ëtre de section ronde, ovale ou polygonale, par exemple de
section triangulaire, carrée, rectangulaire ou hexagonale. Lorsqu'il est de
section
ronde, sa dimension est définie par son diamètre, lorsque sa section n'est pas
ronde, sa dimension est définie par le diamètre d'un fil dont la section
aurait la
même surface. Dans tous les cas, on parlera du diamètre du fil.
io A cet effet, l'invention a pour objet un fil en acier inoxydable, de
diamètre
inférieur à 2 mm et de résistance à la traction supérieure à 2100 MPa,
constitué
d'un acier dont la composition chimique comprend, en poids
0% < C < 0,03%
0% < Mn < 2%
0 % < Si < 0,5
8% < Ni < 9%
17% < Cr < 18%
0% < Mo < 0,4%
3% < Cu < 3,5%
0 % < N < 0, 03
S < 0, 01
P < 0, 04
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
Ce fil peut être utilisé notamment pour fabriquer un ressort, confectionner
Is un Gable ou peut constituer l'âme d'un fil de renforcement d'élastomère.
L'invention concerne également un procédé pour la fabrication du fil selon
l'invention. Le procédé consiste à s'approvisionner en un fil machine de
diamètre
supérieur ou égal à 5 mm constitué d'un acier austénitique dont la composition
chimique est conforme à ce qui est indiqué ci-dessus, à le soumettre à un
2o traitement d'hypertrempe pour lui conférer une structure entièrement
austénitique,
à le décaper et à le mettre en forme par déformation plastique à froid,
généralement sans traitement thermique intermédiaire, ou, pour les plus petits
diamètres, avec une hypertrempe intermédiaire suivie d'une réduction de
section
supérieure à 300. La mise en forme par déformation plastique à froid a pour
but,
2s notamment, de réduire la section et, éventuellement, de donner à la section
du fil
la forme souhaitée (rond, carré, triangle, etc.). Cette déformation plastique
peut
être effectuée par tréfilage, par laminage ou par tout autre procédé de
fabrication
d'un fil par déformation plastique à froid. On peut compléter le procédé par
un
traitement thermique de vieillissement, effectué sur le fil fortement écroui,
et
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constitué d'un maintien pendant une durée comprise entre 5 mn et 3 heures à
une
température comprise entre 400 et 475 °C.
L'invention concerne enfin un acier inoxydable austénitique dont la
composition chimique comprend, en poids
0 % < C < 0, 03
0% < Mn < 2%
0% < Si < 0,5%
8% < Ni < 9%
17% < Cr < 18%
0% < Mo < 0,4% .
3 % < Cu < 3,5
0 % < N < 0, 03
S < 0, 01
P < 0, 04
s le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise, mais non
limitative, et illustrée par les exemples qui suivent.
Pour fabriquer un fil tréfilé fin de diamètre inférieur ou égal à 2 mm, on
utilise un fil machine de diamètre supérieur ou égal à 5 mm en acier
inoxydable
lo austénitique dont la composition chimique comprend, en poids
- moins de 0,03 % de carbone car, au delà, la martensite présente en grande
proportion dans le fil tréfilé devient sensible à la rupture différée et les
ressorts
peuvent, alors, se fissurer sous l'effet des contraintes résiduelles de
formage ; en
général la teneur en carbone est supérieure à 0,005 % car il est extrëmement
is difficile de descendre en dessous lors des opérations d'affinage ;
- de 0 %à 2 %, et de préférence plus de 0,2 %, de manganèse pour fixer le
soufre
et éviter la formation de sulfures de chrome à bas point de fusion ; au delà
de 2
l'acier devient très difficile à décarburer sans réoxyder le manganèse, ce qui
augmente de façon très importante les coûts de fabrication ;
20 - de 0 % à 0,5 % de silicium dont la présence (en général plus de 0,1 %)
résulte
de l'élaboration de l'acier, durcit fortement la martensite présente dans les
fils
écrouis ; afin d'éviter un durcissement excessif avant l'opération de mise en
forme, on limite sa teneur à 0,5 % ;
- de 8 % à 9 % de nickel, pour garantir une structure austénitique pendant le
zs laminage à chaud et après le traitement d'hypertrempe ;
- de 17 % à 18 % de chrome pour obtenir une résistance à la corrosion
suffisante
sans engendrer trop de difficultés de décapage après le laminage à chaud ;
- de 0 % à 0,4 % de molybdène pour améliorer la tenue à la corrosion sans
détériorer les autres propriétés ;
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- de 3 % à 3,5 % de cuivre pour permettre le durcissement par précipitation au
cours du traitement de vieillissement après tréfilage ; la teneur est limitée
à 3,5
car, au delà, le cuivre engendre des difficultés de laminage à chaud ;
- de 0 % à 0,03 % d'azote qui résulte de l'élaboration ; sa teneur est
s généralement supérieure à 0,005 %, mais doit rester inférieure à 0,03 % pour
éviter des risques de fissuration en différé ;
- moins de 0,01 % de soufre qui est une impureté dont la teneur doit être
limitée
car, en trop grande quantité, elle rend cassants les fils tréfilés ;
- moins de 0,04 % de phosphore qui est une impureté pouvant créer des défauts
io lors du laminage à chaud ; ,
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
- L'ensemble des éléments a un effet sur la stabilitë de la structure
austénitique pendant le laminage à chaud et après hypertrempe, mais ,
également, sur la structure de solidification. Les domaines de composition
pour
Is chacun des éléments ont été choisis de telle sorte que cette structure de
solidification soit ferritique et exempte de fortes ségrégations.
Comme l'ont observé de façon inattendue les inventeurs, cet acier présente
l'avantage de permettre d'atteindre des caractéristiques mécaniques élevées
par
tréfilage et durcissement structural sans nécessiter de recuit intermédiaire,
même
2o pour des réduction de diamètre supérieures à 20 fois.
Avec l'acier qui vient d'être défini, on fabrique par laminage à chaud un fil
machine de diamètre supérieur ou égal à 5 mm qui est soumis à un traitement
d'hypertrempe consistant en un chauffage à une température comprise entre
800 °C et 1250 °C suivi d'un refroidissement à l'air, ou plus
rapide, afin de lui
2s conférer une structure entièrement austénitique, puis il est décapé.
Le fil machine hypertrempé et décapé ainsi obtenu est alors tréfilé jusqu'à
un diamètre inférieur à 2 mm, en une ou plusieurs étapes de plusieurs passes
chacune, sans qu'il soit nécessaire de faire de traitement thermique
intermédiaire,
au mois tant que le rapport de la section initiale à la section finale reste
inférieur à
30 485. Pour fabriquer les plus petits diamètres, notamment les diamètres
inférieurs
à 0,25 mm, il peut être nécessaire de faire une hypertrempe intermédiaire
destinée à restaurer la capacité de déformation du métal. Cependant, dans ce
cas, pour obtenir les caractéristiques mécaniques souhaitées, l'écrouissage
final,
c'est à dire effectué après l'hypertrempe intermédiaire, doit correspondre à
une
3s réduction de section supérieure à 300 (section finale I section initiale <
1 I 300).
Pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées en final, c'est à dire,
une résistance à la traction, fonction du diamètre, conformément à la norme,
reprise au tableau ci-dessous, on effectue un traitement thermique de
vieillissement.
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résistance à la traction minimale imnneco r,~r W~ .,~,~.,.,o~
~ 1,5!1,751,25115111,250,8/10,6510,80,5!0,650,410,50310,40,210,3<0,2
mm
R 1950 2000 2050 2100 2125 2150 2200 2225 2250 2275
MPa
Ce traitement de vieillissement consiste en un chauffage pendant un temps
compris entre 5 mn et 3 heures, à une température comprise entre 400 et 475
°C
s II engendre un durcissement résultant de la précipitation de Cu E (c.f.c.)
dans une
structure cubique centrée (martensite a' induite par la déformation de
tréfilage).
Ce durcissement est, toutes choses égales par ailleurs, d'autant plus élevé
que la
teneur en martensite a.' est plus élevée.
Selon l'application envisagée, le traitement de vieillissement peut être
io effectué soit directement après tréfilage, soit après avoir effectué des
opérations
supplémentaires sur le fil, par exemple après l'avoir mis en forme pour
fabriquer
un ressort spirale.
A titre d'exemple, on a fabriqué des fils tréfilés de 1 mm, 0,5 mm et 0,25
mm de diamètre conforme à l'invention en partant d'un fil machine de 5,5 mm de
is diamètre constitué d'un acier inoxydable austénitique dont la composition
chimique était la suivante (en % en poids)
C Mn Si Ni Cr Mo Cu N S P
0, 1, 0, 8, 17, 0, 3, 0, 0, 0, 025
011 83 4 08 24 36 24 027 004
Le fil machine a été hypertrempé par réchauffage à 1080 °C et
2o refroidissement à l'eau puis décapé.
Le fil machine a alors été tréfilé selon les schémas suivants
- fil de 1 mm de diamètre : en une descente de 5,5 mm à 1 mm, en 12 passes ;
- fil de 0,5 mm de diamètre :à partir du fil écroui de 1 mm, en une descente
de 8
passes de 1 mm à 0,5 mm ;
2s - fil de 0,25 mm de diamètre : à partir du fil écroui de 1 mm, en une
descente de 5
passes de 1 mm à 0,7 mm suivie d'une descente de 8 passes de 0,7 mm à 0,25
mm; sans traitement thermique intermédiaire.
Après tréfilage le fil a été vieilli par maintient à 435°C pendant 1
heure.
Les caractéristiques mécaniques (résistance à la rupture Rm, et résistance
3o pour une déformation plastique de 0,2 % Rpo,2) obtenues avant et après
vieillissement, ainsi que le taux de martensite a.', étaient
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avant vieillissement a rs vieillissement
Diamtre % a,' R o,2 (MPa)Rm (MPa~ R 0,2 (MPa)Rm (MPa)
1 mm 52 1702 1856 2070 2197
0,5 mm 65 2083 2291 2668 2723
0,25 mm 75 2580 2666 3076 3095
Les fils ainsi obtenus ont été utilisés pour fabriquer des ressorts comme
indiqué ci-dessus qui ont l'avantage de présenter des caractéristiques au
moins
égales à celles des ressorts fabriqués en nuance standard 1.4310, avec une
s relaxation égale, voire améliorée, tout en étant plus simples et moins
coûteux à
fabriquer.
Du fait de leurs caractéristiques, les fils selon l'invention peuvent
également ëtre utilisés pour fabriquer des fils de renforcement d'élastomères,
par
exemple pour réaliser des armatures de pneumatiques. Ces fils de renforcement
io comportent une âme constituée d'un fil tréfilé selon l'invention revêtue,
par
exemple, par nickelage et laitonnage (ce revêtement est destiné à assurer une
bonne liaison avec le caoutchouc).
