Quelles sont les influences du traitement thermique sur … · • non respect des tolérances....

Pièces découpées-pliées et traitées thermiquement

Ressorts plats13 septembre 2013 - Lyon

Quelles sont les influences du traitement thermique

sur la géométrie des pièces mises en forme ?

Patrick JACQUOT (BODYCOTE), André MAILLARD et Marc BUVRON (CETIM)


Pièces mise en forme sous presse et traitées thermiquement

Comment obtenir une meilleure maitrise géométrique des pièces mises en forme sous presse et traitées thermiquement ?

Anticiper et réduire les problèmes de :

• déformations des pièces (changements de forme et / ou de volume),

• non respect des tolérances.

Problème de départ


Différentes réponses :

1.Fournir une solution à tous les problèmes de déformations : il y a un trop grand nombre de cas !

2.Développer des connaissances permettant de faciliter le dialogue entre spécialistes de métiers différents pour qu’ils puissent discuter utilement ensemble.

Etude multi professionnelles : Découpage-emboutissage et Traitements thermiques.

Démarche développée


Démarche collective mise en œuvre au sein d’un Groupe de travail :

M. Boby Patrick – Eroc-MetasevalM. Buvron Marc – CetimM. Cabaret Michel – Expert en Découpage emboutissageM. Jacquot Patrick - BodycoteM. Jourdain Marc – Précision components industries (PCI)M. Maillard André – CetimM. Touaibia Mohamed - MetalisM. Tournier Christian – Expert en Traitements ThermiquesM. Warter Philippe –Metatherm

Démarche développée


Connaissances, pour les différents intervenants dans le processus de fabrication, des particularités du métier qu’il ne connaît pas, ou peu, pour pouvoir développer des actions d’amélioration concertées de la fabrication des pièces.

Domaine limité aux pièces en aciers au carbone ou faiblement alliés ; plates pliées ou embouties sur presses obtenues par tous types de procédés de mise en forme et dont les propriétés mécaniques sont acquises par les traitements thermiques ou thermochimiques.

Forme de réponse apportée

Metalis

Loupot

Precision Components Industries


Rapport performance.

Résultats

• 102 pages

• Gratuit pour les cotisants du Cetim

• Autrement, 63,30€ TTC


Mécanismes principaux à l’origine des déformations des pièces :

• Relaxation des contraintes résiduelles,

• Fluage,

• Changements de structures,

• Plasticité de transformation.

Traitements thermiques : origine des déformations de pièces


Mécanisme de déformation : Relaxation des contraintes d’origine mécanique


Mesure des contraintes :• Dans la tôle avant

formage,• Après mise en forme sous

presse,• Après traitement

thermique.

Tôle : C75S, e=1,2mmPièce pliéeTraitement de recuit réalisé à 600°C pendant 4 heures à l’air.

Contrainte L(MPa)

Incertitude générale

Tôle brute -35 8

Tôle brute après recuit 15 12

Echantillon mis en forme avant recuit face intérieure -239 37

Echantillon mis en forme avant recuit face extérieure 200 16

Echantillon mis en forme après recuit face intérieure 22 21

Echantillon mis en forme après recuit face extérieure 11 11

Mise en évidence de la relaxation des contraintes d’origine mécanique


Création des contraintes résiduelles d’origine thermique

Début du chauffage :La surface se dilate avant le cœur,

provoquant une mise en compression de la surface et des déformations atteignant

le domaine plastique (plastification).

Fin du chauffage :Le cœur arrivé à température, se dilate à son tour et provoque une

inversion du sens des contraintes. La plastification de surface bloque une partie de cette inversion et produit

des contraintes résiduelles de traction.

Contraintes résiduelles d’origine thermique : différentiel de température entre la peau et le cœur de la pièce

Particularités des pièces en tôle :Mécanisme jugé de faible influence pour des épaisseurs de tôle inférieures à 1mm.


Le fluage apparait aux températures élevées, lorsqu’un matériau est soumis à une contrainte, inférieure ou supérieure à la limite d’élasticité. Le fluage consiste en une déformation plastique évoluant au cours du temps sans qu’il y ait nécessairement d’évolution du niveau des contraintes.

Exemples de contraintes : poids d’une pièce (traitement sur un lit de pièces), poids de plusieurs pièces superposées (traitement sur plusieurs lits de pièces ou en vrac),

Mécanismes de déformation : fluage


Importance du fluage

Particularités des pièces en tôleles mécanismes de fluage et de relaxation des contraintes devraient

avoir, pour ce type de pièce, une plus grande importance.

1 lit

Plusieurs lits

Recuit sous vide à 850°C pendant 3 h et refroidissement lent jusqu’à350°C.

1 Lit variation moyenne faible de 4’38’’ en fermeture.

Plusieurs lits variation moyenne forte et inverse : 14’33’’ en ouverture.

Mise en évidence du Fluage

mécanisme de fluage important dans le cas de présentation des pièces sur plusieurs lits


Evolution dimensionnelle dans le cas d’un traitement de trempe martensitique

Mécanismes de déformation : changement de structure


Contrainte

ContrainteZones

plastifiées (blanches)

Ilots de martensite

(gris)

Mécanismes de déformation : plasticité de transformation

Conséquences de la plasticité de transformation : si la pièce subit une contrainte qui peut être son poids propre, le poids des pièces au-dessus d’elle dans un panier de traitement, la pression d’un montage…, la zone plastifiée s’oriente dans la direction de la contrainte et une déformation par changement de forme apparait.


Mécanismes de déformation : Cas particulier des pièces en tôle

Pièces en tôle :

•Faible épaisseur et mise en forme générant des contraintes résiduelles élevées.

•Pondération / massive : mécanismes de fluage et de relaxation des contraintes ont une plus grande importance. La plasticité de transformation semble également plus influente.

•Déformations dues aux changements de forme sont majeures comparées à celles liées au changement de volume (excepté pour le découpage fin dont l’épaisseur moyenne = 5mm).


3 – Influence des paramètres du process

3.1 - Tolérances géométriques des pièces : importance, analyse

3.2 - Formes des pièces : pièces ouvertes, fermées ou plates

3.3 - Aciers tôle : trempabilité suivant composition

3.4 - Procédés de mise en forme : par exemple, l’importance de la

gamme

3.5 - Procédés de traitements thermiques : types et moyens


Paramètres influents – Procédé de traitements thermiques

Choix du type de traitement et de son processLe choix peut porter par exemple sur la carbonitruration ou sur la nitruration, la

trempe martensitique ou la trempe bainitique. Le choix des paramètres de la gamme, incluant en particulier le positionnement des pièces lors du traitement thermique, conditionne le résultat final.

Choix du moyen de fabricationLes pièces peuvent être traitées dans des fours à passage (continus, à tapis) ou

à charge

Source Bodycote

Source Bodycote

Four àcharge

Four àtapis



Trempabilité de la matièreUn acier au carbone non allié à

faible trempabilité ne peut durcir que sur quelques millimètres et requiert parfois l’usage de milieux de trempe à forte drasticité pour obtenir des vitesses de refroidissement très importantes. Ceci peut entraîner la formation de fortes contraintes résiduelles d’origine thermique et un risque de déformation important. Caractérisation de la trempabilité d’un matériau : exemple de

détermination des bandes Jominy de l’acier 34CrMo4.

Différentes nuances définies par la norme NF EN 10083-3:H: domaine compris entre la première et la 4ème courbe.HH: domaine compris entre les 2 courbes rouges.HL: domaine compris entre les 2 courbes noires.



La structure métallurgique initiale de la matière

Les variations de la structure ont une grande influence sur l’amplitude des déformations et les dispersions des cotes après traitement thermique.

Ces variations de structure résultent de l’ensemble des opérations menées avant l’opération de traitement thermique (aciériste, fabricant des pièces découpées et mises en forme ).

La taille des grains constitue un autre aspect de la structure de la matière avant le traitement thermique (taille 6).

Exemples de structures en bandes. Les bandes blanches sont constituées de ferrite, et les bandes noires de perlite



Le montage des piècesLe montage des pièces , on l’a vu, est

important dans la maitrise des déformations des pièces. Il a aussi une incidence sur les coûts de traitement.

Le chauffage (montée en température des pièces)

L’austénitisation (maintien àtempérature des pièces – cas de la trempe)

Le refroidissement (pour la transformation de la structure en martensite ou bainite)

Schéma de la trempe bainitique (en vert) et de la trempe martensitique aux sels (en rouge). Cette dernière est suivie d’un revenu.

Structure martensitique


Influence des paramètres de traitement thermique

Paramètres Description Causes InfluenceChauffage Apparition de contraintes résiduelles

d’origine thermiqueVitesse de chauffage trop élevée 1

Relaxation des contraintes résiduelles d’origine mécanique

Contraintes issues de la matière initiale et de la mise en forme

3

Changement de volume de la pièce Transformation ferrite-perlite en austénite 0Austénitisation Poursuite de la relaxation des

contraintes résiduellesContraintes issues de la matière et de la mise en

forme et contraintes issues du chauffage0-1

Changement de volume de la pièce Poursuite de la transformation ferrite-perlite en austénite

0

Changement de forme de la pièce Fluage à haute température d’autant plus important que le rapport longueur/épaisseur est important. Fonction des paramètres de traitement (durée,

température, positionnement)

2-3

0 : influence nulle1 : influence faible3 : influence forte4 : influence très forte


Paramètres Description Causes InfluenceRefroidissement Apparition de contraintes résiduelles

d’origine thermiqueRefroidissement rapide fonction du milieu de

refroidissement2-3

Changement de forme de pièce

Plasticité de transformation austénite en martensite 3Refroidissement hétérogène

Fonction de la forme et du positionnement des pièces 1-2

Changement de volume de pièce Transformation austénite en martensite 2Revenu Apparition lors du revenu de

contraintes résiduelles d’origine thermique

Chauffage ou refroidissement rapide 0

Relaxation des contraintes résiduelles

Contraintes résiduelles formées lors de la trempeContraintes résiduelles d’origine thermique apparues

lors de la montée à température du revenu

2

0-1Changement de volume Transformation progressive de la martensite en

structure de revenu1

Influence des paramètres de traitement thermique


6 - Recommandations pour aider à la maitrise des déformations

Matière initiale :

Éviter les « structures en bandes » et anisotropes .Taille de grain pas trop fine.Améliorer la trempabilité par le choix de nuances plus alliées.Réduire les variations des caractéristiques matière. Exiger un certificat matière avec les caractéristiques nécessaires à la maîtrise du traitement thermique.Privilégier les filières d’approvisionnement uniques dans la mesure du possible.Réaliser un tri à la réception des matières (lotissement), en fonction de leurs caractéristiques mécaniques, chimiques et géométriques. Contrôler le sens de la bavure de refendage.Orienter le sens de laminage par rapport au dessin de la pièce.Réduire les défauts de géométrie de surface du feuillard (replis, rugosité, rayure…) et les défauts physico-chimiques (décarburation, calamine, oxydes, dépôts pouvant perturber le refroidissement…).Augmenter les caractéristiques de formabilité en augmentant l’allongement et en diminuant la résistance mécanique de la tôle.


Recommandations pour aider àla maitrise des déformations

Conception de la pièce :

Éviter les changements brusques de section.Éviter les entailles (risque de départ de fissure) et les trous, ou les disposer de façon symétrique.Viser des formes les plus symétriques possibles vis-à-vis de l’équilibre des masses et des transferts de chaleur.Rigidifier les géométries délicates par un nervurage, des tombés de bord.Fractionner les pièces monoblocs en plusieurs pièces de formes plus simples.Intégrer, dès la conception de la pièce, les techniques de maintien et de positionnement qui seront choisies pour le traitement thermique .Fermer les formes, car cela favorise le maintien de la géométrie.Réaliser des essais de validation, de mise en forme et de traitement thermique des pièces dans les conditions représentatives de la série.



Mise en forme sur presse:

Élaborer une gamme de formage avec la possibilité : de découper et de former le plus symétriquement possible. d’organiser, tout au long de la gamme, la « chasse aux contraintes résiduelles ».

Réaliser des « outils faux » (cotes décalées par rapport aux cotes finales) pour tenir compte des déformations survenant lors du traitement thermique.

Maintenir et contrôler les réglages du process (redressage, lubrification).

Maîtriser l’usure des outils (contrôle, maintenance rapprochée).

Retourner la bobine pour éviter certains problèmes de planéité.

Adapter le réglage presse-outil en fonction du lot de tôle utilisé.



Traitements thermiques :

Limiter la température d’austénitisation autant que possible.Limiter la durée du maintien autant que possible.Éviter les carburations ou les décarburations superficielles.Augmenter autant que possible la température de l’huile de trempe (si la trempe à l’huile est nécessaire) et recommander l’utilisation d’une huile de trempe à haute température.Améliorer l’homogénéité de température du milieu de trempe par un brassage adapté.Choisir les traitements qui conduisent à de faibles gradients thermiques.Choisir le fluide de trempe le moins drastique.Adapter le choix de l’installation aux pièces traitées (four à charge, à tapis…).Pour les montages, utiliser des aciers réfractaires stables dimensionnellement.Adapter le positionnement des pièces.Ajuster la gamme de traitement thermique en respect de la difficulté de traitement de la pièce.Assurer la plus grande homogénéité du chauffage et du refroidissement. Utiliser les « trempes sous presse » ou les revenus sous conformateur.


Conclusions

Des déformations se produiront, leur importance doit être maitrisée,

Cette maitrise est possible,

Nécessité du dialogue.

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