L'invention concerne les pièces mécaniques en acier bas carbone à hautes caractéristiques, comme les rotules de roues de véhicules terrestres, les pivots, axes, triangles de suspension, biellettes, ou autres pièces mécaniques analogues prêtes à l'emploi obtenues par déformation plastique d'un produit sidérurgique long (fil, barre...)

On sait que les aciers pour déformation plastique doivent présenter des propriétés à la fois de déformabilité et de résistance. Ainsi, lors de la fabrication des pièces mécaniques à laquelle certains d'entre eux sont destinés, il leur faut pouvoir supporter sans rupture des modifications de forme importantes tout en présentant parfois au final de hautes caractéristiques mécaniques. De fait, dans certains cas, les caractéristiques exigées des pièces obtenues à partir de ces aciers sont proches de celles de la classe 10.9 selon la norme ISO 898, à savoir une limite à la rupture minimum de 1000 MPa et une limite élastique minimum de 900 MPa. De plus, ces aciers doivent présenter de bonnes caractéristiques d'usinabilité, car une majorité des applications nécessite un usinage ultime pour mise aux côtes finales.

On rappelle que les opérations de déformation plastique se font sur des lopins d'acier issus de la découpe de fils ou barres obtenus classiquement par laminage à chaud de demi-produits de coulée continue (billettes ou blooms). En déformation plastique à froid (frappe, forge...), les lopins sont mis en forme à froid à la presse, le cas échéant après un recuit de globulisation, et les pièces obtenues sont ensuite traitées thermiquement par trempe et revenu. Pour la forge à chaud, les lopins sont réchauffés d'abord jusqu'à une température d'environ 1000-1200 °C, mis en forme à chaud et refroidis. Les pièces ainsi obtenues sont ensuite traitées thermiquement par trempe et revenu, la trempe pouvant être faite directement lors du refroidissement après forgeage.

La réalisation de ces différents traitements thermiques suppose des opérations, certes maîtrisées, mais néanmoins coûteuses, dont les résultats visés ne sont pas toujours atteints et qui, de toute façon, augmentent le temps et le coût de production. Aussi, a t'on recherché ces dernières années des nuances d'acier permettant de s'en affranchir et d'obtenir des pièces à hautes caractéristiques "prêtes à l'emploi", pouvant être utilisées pour l'application prévue sans avoir à subir un traitement thermique pour modifier leur structure métallurgique après l'opération de déformation plastique.

Concernant la frappe à froid par exemple, il est déjà connu par exemple de faire appel à des nuances d'acier de structure essentiellement bainitique (i.e. contenant plus de 50 % de bainite), présentant un bon compromis entre déformabilité et caractéristiques mécaniques finales. Toutefois, compte tenu des capacités des moyens de refroidissement dont on dispose généralement sur une ligne de laminage à chaud, ces nuances permettent d'obtenir une structure essentiellement bainitique uniquement sur des fils ou des barres laminés de relativement faible diamètre, dépassant rarement 8 mm en fait. Au-delà, on obtient une bainite dégénérée ou associée à de la ferrite, ce qui conduit à une détérioration marquée des propriétés mécaniques des produits laminés. De plus, la structure n'étant pas bien maîtrisée, il y a un risque de forte dispersion des caractéristiques mécaniques au sein d'une même couronne ou entre plusieurs couronnes de fils bobinés ou entre plusieurs barres ou au sein d'une même barre à l'issue du laminage à chaud.

Des problèmes similaires sont rencontrés avec les nuances d'acier pour forge à chaud pour lesquelles l'épaisseur de la pièce forgée impose souvent des contraintes de refroidissement sévères pour atteindre la vitesse de refroidissement à coeur nécessaire à l'obtention de la structure bainitique visée dans la masse. De surcroît, la périphérie de la pièce étant inévitablement refroidie beaucoup plus énergiquement que le coeur, il en résulte des tensions internes qui peuvent conduire à des déformations permanentes rédhibitoires.

On voit donc que l'on recherche classiquement, dans les applications des nuances pour déformation plastique, une structure bainitique qui offre un bon compromis entre déformabilité et caractéristiques mécaniques, en même temps qu'une bonne usinabilité. Dans tous les cas, la réussite de l'obtention de cette structure bainitique est soumise aux contraintes de refroidissement de l'acier à coeur, que ce refroidissement intervienne avant la déformation plastique ou après. Ces contraintes imposées au refroidissement s'avèrent si sévères sur les nuances d'acier actuellement connues et utilisées que cette structure bainitique peut ne pas être obtenue directement dans la chaude de laminage, ni même après l'opération de forgeage, de sorte que de nombreuses pièces mécaniques doivent subir un traitement thermique postérieurement à leur mise en forme.

US-A-5 554233 concerne la fabrication de barres laminées à chaud et déformables à froid pour obtenir des pièces sans avoir besoin d'un traitement thermique avant ou après la déformation a froid. L'acier utilisé comprend notamment de 0.10% à 0,14% de carbone et de 0,01% à 0,1% de molybdène.

L'objectif de l'invention est la mise à disposition des transformateurs d'une nuance d'acier bas carbone apte à développer une structure bainitique, ou essentiellement bainitique, avec de faibles contraintes de refroidissement, pour la fabrication de pièces prêtes à l'emploi tant par presse à froid qu'à la forge à chaud.

Plus précisément, l'invention a pour but le développement d'une nuance d'acier bas carbone spécifique à la fabrication de pièces mécaniques dotées d'une structure bainitique ou essentiellement bainitique pouvant être obtenue déjà avec une faible vitesse de refroidissement à coeur, qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s, et offrant à la fois une bonne aptitude à la déformation et une bonne usinabilité pour la réalisation de ces pièces par déformation à froid ou à chaud, sans traitement thermique postérieur à la mise en forme, ladite nuance présentant des caractéristiques mécaniques élevées permettant auxdites pièces de se situer dans les classes de qualité 8.8 à 12.9 selon la norme ISO 898.

L'invention a ainsi pour objet une pièce mécanique à hautes caractéristiques en acier bas carbone prête à l'emploi venant de la transformation plastique d'un produit sidérurgique long laminé, selon la revendication 1.

Dans un premier mode de réalisation préféré, la pièce mécanique en acier déformée à froid définie ci-dessus se caractérise en ce que le produit long dont elle est issue par transformation plastique est un fil ou barre laminé traité thermiquement par refroidissement dans la chaude de laminage à une vitesse de refroidissement suffisante pour lui conférer une structure bainitique ou essentiellement bainitique.

Dans un second mode de réalisation préféré de l'invention, la pièce mécanique en acier forgée à chaud définie ci-dessus se caractérise en ce que le produit long dont elle est issue par transformation plastique est une barre ou un fil laminé dont le lopin de forge qui en a été extrait a été traité thermiquement par trempe sous une vitesse de refroidissement suffisante pour lui conférer une structure bainitique jusqu'à coeur, ce depuis une température de trempe de l'ordre de 1200 °C et plus à laquelle le lopin a subi une transformation plastique par forgeage l'amenant à sa forme finale désirée.

Dans les deux modes de réalisation évoqués ci-dessus le traitement thermique intervenant dans l'élaboration de la pièce mécanique comprend une phase finale de refroidissement à faible vitesse, qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ, à coeur.

On notera que ce refroidissement de la pièce est un refroidissement doux, différent en tous cas d'une opération de refroidissement qui tremperait l'acier, laquelle au demeurant serait, dans la pratique normale, suivie d'un revenu.

Dans une variante, la pièce mécanique est réalisée avec un acier dont la teneur en carbone est comprise entre 0,06 % et 0,10 %.

Dans une autre variante, la pièce mécanique est réalisée avec acier dont la teneur en molybdène n'excède pas 0,30%, et celle en manganèse est inférieure à 1,80 %.

L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une pièce mécanique à hautes caractéristiques prête à l'emploi en acier bas carbone présentant une résistance à la rupture de plus de 800 MPa, qui comporte les étapes de la revendication 6.

Comme on l'aura compris, l'invention, dans ses caractéristiques essentielles, consiste en la définition d'une analyse d'acier bas carbone à base de niobium, de bore et de molybdène, qui est spécifique aux pièces mécaniques à hautes caractéristiques et apte à se doter d'une structure bainitique (ou essentiellement bainitique) homogène dans la masse de la pièce avec peu d'exigences quant au refroidissement. Cette structure peut être obtenue en effet déjà à partir d'une faible vitesse de refroidissement à coeur qui peut descendre jusqu'à 1°C/s environ, vitesse qui peut être atteinte, comme on le sait, directement dans la chaude de laminage elle-même pour des fils et barres de diamètre de l'ordre de 20 mm et plus selon les installations.

Dès lors, l'invention ouvre vers les grands diamètres la gamme de production des produits longs laminés à chaud destinée aux ateliers de frappe ou forge à froid, et, pour ceux réservés à la forge à chaud, elle procure l'économie d'un traitement thermique final supplémentaire de trempe-revenu. Pour mieux fixer les idées, on notera qu'avec les chaudes de laminage habituelles, les diamètres limites se situent autour de 20 à 25 mm pour les nuances selon l'invention.

Les habitudes de vocabulaire dans la profession sidérurgique font que l'on appelle

• "fils ou petites barres" les produits laminés sous des diamètres allant jusqu'à 30 mm environ (que l'on conditionne souvent d'ailleurs sous forme de couronnes pour livraison aux transformateurs);
• et "barres" ceux laminés à partir de 18 mm de diamètre et qui sont livrés rectilignes après découpe à longueur à la sortie du train.

Par ailleurs, dans un souci de clarté de l'exposé, l'expression "structure bainitique" désignera une "structure bainitique ou essentiellement bainitique".

L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description détaillée qui suit, donnée à titre d'exemple de réalisation.

On produit à l'aciérie, par coulée continue, des demi-produits longs (billettes ou blooms) issus d'un acier ayant, outre le fer, la composition suivante, en teneur pondérale par rapport au fer :

De 0,02 à 0,10 %, et de préférence 0,08 %, de carbone. Le carbone à ces teneurs sert à l'obtention d'une structure bainitique ayant les propriétés mécaniques requises. Il permet d'obtenir une bonne aptitude à l'écrouissage lors d'une déformation plastique à froid. Sa basse teneur permet aussi d'éviter la formation de gros carbures défavorables à la ductilité sans qu'il soit nécessaire de réaliser un traitement de globulisation.

De 0,04 à 0,10 %, et de préférence 0,06 à 0,08 %, de niobium. Le niobium agit en synergie avec le molybdène et le bore pour élargir le domaine de transformation bainitique. Il permet d'accroître l'effet de trempabilité du bore en augmentant la teneur en bore efficace contenue dans l'acier. En effet, la formation des carbures Fe₂₃(CB₆) (piégeant le bore et passifs quant à la trempabilité de l'acier) est rendue plus difficile sous l'action du niobium qui stabilise l'austénite et retarde la diffusion du carbone. Par ailleurs, il permet d'augmenter la température de recristallisation de l'austénite ce qui permet d'obtenir une structure bainitique plus fine lors de laminage contrôlé, et ainsi d'augmenter la résilience des pièces.

De 0,001 à 0,005 % de bore. Le bore inhibe la germination de la ferrite favorisant ainsi la formation d'une structure bainitique. Il agit en synergie avec le niobium et le molybdène pour élargir le domaine bainitique.

De 0,10 à 0,35 %, et de préférence moins de 0,30 % de molybdène. Le molybdène est un élément carburigène permettant d'élargir le domaine bainitique en retardant la germination de la ferrite. De plus, à ces teneurs, son action sur la trempabilité de l'acier permet d'obtenir un acier d'une résistance mécanique supérieure par un abaissement de la température de début de transformation bainitique. Il tend à compenser ainsi la faible teneur en carbone nécessaire à l'obtention d'une bonne ductilité. Par ailleurs, il agit en synergie avec le bore et avec le niobium dont il renforce le rôle. De plus, à ces teneurs, il agit en synergie avec le niobium pour augmenter la température de recristallisation de l'austénite.

De 1,30 à 2,00 %, et de préférence entre 1,60 et 1,80 %, de manganèse. Ce manganèse permet d'obtenir ensuite une trempabilité suffisante, aide à la formation de la bainite et permet d'obtenir les caractéristiques mécaniques souhaitées.

De 0,10 à 1,30 %, et de préférence de 0,20 à 0,35 %, de silicium. A ces teneurs, il permet d'obtenir un durcissement modéré de l'acier. On peut aller jusqu'à une teneur de 1,30 % si besoin est, en particulier pour augmenter la résistance mécanique de l'acier. Le silicium permet également de désoxyder l'acier lors de la coulée.

De 0, 007 à 0,010 % d'azote, associé avec une teneur en titane de l'ordre de 3,5 fois cette teneur en azote pour faire écran sacrificiel au bénéfice du bore. Le titane sert à fixer l'azote et à protéger ainsi le bore. Sans titane, le bore perdrait son pouvoir trempant en réagissant avec l'azote. Le titane permet également d'obtenir un grain austénitique fin ce qui améliore l'aptitude à la mise en forme à froid et à la ductilité.

Moins de 0,08 % d'aluminium. Cet aluminium dissous résiduel, venant du calmage de l'acier avant coulée, est un bon désoxydant de protection du titane contre l'oxydation par l'oxygène dissous inévitablement présent, afin que ce titane reste disponible pour protéger le bore contre l'azote. Cet aluminium sert aussi à contrôler le grossissement du grain austénitique lors du laminage à chaud du demi-produit de départ, et ainsi à donner à l'acier de bonnes propriétés de résilience.

Eventuellement de 0,001 à 0,1 % de soufre. Ce soufre se combine avec le manganèse afin de former des sulfures de manganèse plastiques et ductiles. Il permet d'obtenir une bonne usinabilité. Il est possible, si l'on souhaite améliorer d'avantage l'usinabilité, d'augmenter sa teneur jusqu'à une valeur maximale de 0,1 % mais pas au-delà si l'on veut garantir une bonne aptitude à la déformation à froid.

Cet acier présente également les inévitables impuretés et éléments résiduels résultant de son élaboration, notamment le phosphore dont la teneur doit rester inférieure à 0,02 % pour garantir une bonne ductilité pendant et après la mise en forme à froid, ainsi que le cuivre et le nickel, dont la teneur doit être inférieure à 0,30 %.

Cette composition optimisée permet à l'acier d'avoir une très bonne aptitude à la déformation plastique en même temps qu'une bonne usinabilité. En effet, cette nuance favorise non seulement l'obtention de bainite, mais diminue aussi le risque d'obtention de martensite, dont la présence peut constituer un obstacle sérieux à une bonne opération d'usinage.

La plupart du temps, on pourra d'ailleurs limiter la teneur en molybdène à 0,30 % et la teneur en manganèse à 1,80 % afin d'écarter un risque d'apparition de structure de trempe de type martensitique dans certains cas compte tenu des conditions locales.

Un aspect essentiel de l'invention est que les pièces mécaniques présentent une structure bainitique homogène dans la masse à faible vitesse de refroidissement à coeur des pièces forgées à chaud, ou des fils ou barres dont elles sont issues par frappe à froid, qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ.

Lorsque, conformément à une mise en oeuvre de l'invention, la pièce mécanique est frappée à froid (ou forgée à froid), la structure bainitique est obtenue avant mise en forme. L'acier, après déformation, présente alors une bonne ductilité, mesurée par une striction largement supérieure à 50 %, une résistance à la traction supérieure à 650 MPa, et une résistance mécanique supérieure à 800 Mpa.

Dans ce premier mode de réalisation, la pièce est en effet obtenue par déformation plastique à froid de l'acier présentant déjà une structure bainitique. On approvisionne un demi-produit long constitué d'un acier d'analyse conforme à l'invention qu'on lamine à chaud, si besoin après réchauffage au-dessus de 1100 °C, selon la pratique habituelle du laminage à chaud jusqu'à l'obtention d'un fil laminé de 10 mm de diamètre par exemple. La température de dépose du fil est inférieure à 1000 °C. Le fil laminé obtenu est ensuite refroidi à l'air dans la chaude de laminage elle-même de la manière habituelle (procédé "stelmor" par exemple), à une faible vitesse à coeur qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ pour obtenir une structure bainitique homogène.

Le fil laminé est alors livré (ou livrable) au transformateur sous forme de couronne. Le transformateur qui reçoit la couronne débobine le fil, le dresse au besoin, avant de le découper en lopins de longueur voulue. Chaque lopin est ensuite soumis à une opération habituelle de déformation plastique à froid pour l'obtention de la pièce finale prête à l'emploi (rotules, axes, biellettes, vis...), après un usinage de mise aux côtes nominales au besoin. Les caractéristiques mécaniques finales seront naturellement obtenues par l'écrouissage résultant de la mise en forme.

Dans un second mode de réalisation, la pièce est déformée à chaud et la structure bainitique est obtenue après cette opération de déformation plastique: on approvisionne un demi-produit long constitué d'un acier d'analyse conforme à l'invention qu'on lamine à chaud jusqu'à l'obtention d'une barre laminée de 30 mm de diamètre par exemple. Après refroidissement éventuel, la barre mise à longueur par découpé est livrable rectiligne au forgeron avec sa structure métallographique ordinaire acquise naturellement au cours du laminage à chaud.

Le forgeron qui la reçoit la débite en lopins et chaque lopin est ensuite porté à une température d'environ 1200 °C avant d'être soumis à une opération de déformation plastique à chaud à la forge. Les pièces sont alors refroidies de la manière habituelle, en deux étapes, avec un premier refroidissement contrôlé jusqu'à une température inférieure à 1000 °C et un second refroidissement à faible vitesse de refroidissement à coeur qui peut descendre jusqu'à 1 °C/s environ. Dans ce mode de réalisation, les conditions de fin de laminage n'ont pas d'importance particulière sur l'obtention de la structure métallurgique, puisque la bainite, qui donne à la pièce l'essentiel de ses propriétés d'emploi, est atteinte tout à la fin, après la mise en forme à chaud et refroidissement contrôlé.

On rappelle que les pièces mécaniques selon l'invention, sont obtenues par déformation plastique de produits laminés sans traitement thermique supplémentaire de trempe et revenu.

Des essais de laboratoire ont été effectués sur une coulée de composition suivante: % C % Mn % Nb % Cr % B % Mo % Ti % N₂ % Si % S % Al 0,08 1,6 0,08 0,2 0,003 0,2 0,029 0,006 0,25 0,004 0,028

Les billettes issues de la coulée ont été laminées à chaud après réchauffage au-dessus de 1100 °C pour former un fil de 12 mm de diamètre. La température de dépose du fil après laminage était de 820 °C. La vitesse de refroidissement du fil dans la chaude de fin de laminage (refroidissement à air soufflé de type "stelmor") a été de l'ordre de 5°C/s. On obtient une structure bainitique homogène sur l'ensemble du fil, en périphérie comme à coeur.

Les caractéristiques mécaniques du fil sont les suivantes : Rm (MPa) Rp_0.2 (MPa) A (%) Z (%) 857 683 17,4 71,4

On rappelle que :

• Rm représente la résistance à la rupture correspondant à la force maximale avant rupture rapportée à la section initiale du fil.
• Rp_0.2 représente la limite d'élasticité conventionnelle correspondant à la force rapportée à la section initiale du fil provoquant un allongement plastique de 0,2 %.
• A représente l'allongement à la rupture.
• Z représente la striction correspondant à la réduction de section du fil après rupture.

L'évolution des caractéristiques mécaniques en fonction du taux de déformation subi par le fil est la suivante: Taux de réduction (%) Rm (MPa) Rp₀.₂ (MPa) A (%) Z (%) 20 960 885 13,7 67 35 1030 982 13 65,5 50 1100 1020 11,5 61,5 60 1160 1115 10,8 60,5 75 1265 1220 10,6 57,7

Les pièces mécaniques à hautes caractéristiques selon l'invention sont remarquables en ce qu'elles permettent en particulier d'économiser les traitements de trempe et revenu mis actuellement en oeuvre lors des opérations de frappe ou à forge à froid ou de forge à chaud.

D'autre part en imposant des conditions de refroidissement moins drastiques, elles risquent moins de se déformer durant l'opération de refroidissement, ou bien à fluide de refroidissement équivalent elles peuvent présenter des diamètres ou épaisseurs plus importants.

Elles sont également remarquables par les très bonnes caractéristiques d'usinabilité qu'elles présentent, ce qui permet dans les applications à froid de diminuer les teneurs en soufre et donc de limiter l'influence néfaste de cet élément dans l'aptitude à la déformabilité.

Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter aux exemples qui viennent d'être décrits.

Ainsi, par exemple, dans les applications de forge à chaud, l'homme du métier pourra choisir d'améliorer l'usinabilité en faisant varier la teneur en soufre. De même, bien qu'étant destinée plus particulièrement aux applications de frappe ou forge à froid ou forge à chaud, l'invention s'applique également aux autres applications de déformation plastique telles que le tréfilage, l'étirage, l'estampage, etc...