Processus de fabrication

Les étapes du processus de fabrication et la mesure des images géométriques à ces états sont données dans la Figure III - 5 et les détails sont les suivants :

Traitement thermique Chauffe à 930° Trempe huile ou gaz Mesure Usinage Recuit de détensionnement Mesure Mesure Coulée de billette

Figure III - 5 : Intervention de la mesure dans le processus de fabrication du croissant

1.2.1. Etape 1 : Coulée et obtention des nuances d’acier

La géométrie de départ est une billette de diamètre 80 mm, c'est-à-dire une barre cylindrique provenant de la coulée continue d’une aciérie. Un repérage (FDxx, GDxx) permet la traçabilité des pièces utilisées. Les nuances d’acier étudiées dans ces travaux de thèse sont les suivantes (voir avant-propos de ce manuscrit):

• nuance 1 (FD2, FD6, FD7, GD83) : nuance à haute trempabilité ; • nuance 2 (FD3, FD4, FD5, GD84) : nuance à moyenne trempabilité ; • nuance 3 (FD8, FD9) : nuance à basse trempabilité ;

• nuance 4 (GD82) : nuance à haute trempabilité.

1.2.2. Etape 2 : Usinage

L’usinage de la billette aboutit à la géométrie nominale du croissant. La première opération est le débitage de la billette. La seconde opération est le chariotage du diamètre extérieur. Ensuite, le perçage puis l’alésage du cylindre intérieur sont réalisés et sont suivis du

Chapitre III: mise en œuvre de la méthodologie sur une pièce test : le croissant 80

fraisage de la rainure. Enfin, la dernière opération est le dressage des faces supérieure et inférieure pour obtenir la longueur nominale du croissant.

1.2.3. Etape 3 : Recuit de détensionnement

Il est généralement réalisé à une température comprise entre 180°C et 220°C [MUR00]. Dans notre cas, le croissant est chauffé à 200°C pendant 2h. Rappelons que le recuit de détensionnement permet de libérer les contraintes résiduelles générées lors de l’usinage (voir chapitre I). La variation volumique est en général uniforme et n’engendre pas de déformations analogues à celles provoquées par la trempe [DES04].

1.2.4. Etape 4 : Traitements thermiques

Chauffe

Elle est réalisée dans un four électrique, le croissant est porté à une température au- delà de la température d’austénitisation AC3 et y est maintenu pendant un temps défini. Comme les aciers étudiés dans ces travaux de thèse sont hypoeutectoïdes, c'est-à-dire qu’ils ont une teneur en carbone inférieure à 0.85%, la température d’austénitisation se situe entre

AC3+25°C et AC3+50°C [BAR00]. Le temps de maintien dépendant de la massivité de la

pièce, elle se situe en général entre 15 et 30 min [BAR00].

Au final, les quatre nuances étudiées seront donc « austénitisées » à une température de 930°C, avec un temps de maintien à cette température de 15 min. Ce maintien doit être suffisamment long afin d’assurer le chauffage et la formation d’austénite jusqu’au cœur de la pièce. Cette durée est étudiée pour limiter le grossissement du grain, la décarburation en peau, voire la formation de calamine avec l’air présent dans le four électrique. La grosseur du grain austénitique est d’indice 10, la méthode de mesure suivie étant celle précisée dans la norme NF EN ISO 643 [ISO03].

Refroidissement

Après chauffe, le croissant est alors refroidi par un fluide, liquide ou gazeux. Un refroidissement rapide ramène l’acier à la température ambiante (20°C), en empêchant toute précipitation du carbone. Cette opération s’appelle une trempe. La trempe transforme l’acier ferreux en structure de type martensitique, dont la particularité est une dureté d’autant plus élevée que la teneur en carbone est plus grande [MUR00]. Comme le cœur du croissant se refroidit plus lentement que la peau au cours du temps de refroidissement, cela provoque un gradient de température sur la pièce. Ce même gradient a pour conséquence la formation de gradients de structure, de dureté et donc de déformations, au final. Dans cette thèse, l’état structural initial des nuances d’acier sera le même (ferrito-perlitique détendu). Deux types de trempe seront utilisés :

La trempe huile : un seul croissant est chauffé sur le montage (Figure III - 6 a)). Le transfert du four vers le bain est réalisé manuellement (Figure III - 6 b)). Le croissant chaud y est alors rapidement plongé en position verticale. Le bain d’huile, d’une température voisine de 20°C, est brassé en permanence, afin d’y homogénéiser la répartition de la température et ne pas provoquer de déformations supplémentaires [SIN91] (Figure III - 6 c)).

Le principal avantage de la trempe huile est la facilité de mise en œuvre par rapport à une trempe sous vide, qui nécessite des moyens plus importants. Les inconvénients sont le nettoyage des pièces après trempe à cause du dépôt de calamine, le recyclage des huiles usagées (préjudiciable pour l’environnement), la difficulté de changer la drasticité6, ce qui limite les moyens d’actions sur le procédé [LEF99]. A ce titre, comme la plupart des opérations sont réalisées manuellement, la variabilité des expériences est un point délicat. Par exemple, le respect du sens de l’immersion de la pièce et du temps de transfert four-bain de trempe est vital pour garantir une bonne répétabilité expérimentale.

6 _{La drasticité d’une trempe correspond à son pouvoir refroidissant. Pour une trempe huile, elle dépend} de l’aptitude du bain à refroidir la pièce plus ou moins rapidement.

Figure III - 6 : Etapes de la trempe huile réalisée chez Ascométal CREAS

La trempe gaz : le montage permet une charge importante et donc le traitement de plusieurs croissants à la fois (Figure III - 7 a)). Le four (ici de marque ECM) est autonome : il réalise la chauffe de la charge par convection, puis sa trempe sous atmosphère contrôlée, avec un gaz choisi (Figure III - 7 b)).

Figure III - 7 : Etapes de la trempe gaz

Les principaux inconvénients sont le lourd investissement pour l’acquisition de ce matériel, ainsi que le temps de réglage des nombreux paramètres du procédé. Cependant, les avantages sont nombreux par rapport à une trempe huile : l’obtention d’une surface propre, notamment sans calamine (Figure III - 7 c)), la propreté du procédé (réduction des risques environnementaux et sanitaires), une drasticité modifiable par le réglage de la pression du gaz. Ce dernier avantage est un moyen d’action pour minimiser les déformations [SCHM06b]. Sur ce dernier point, l’automatisation de la ligne de transfert et la maîtrise d’une température homogène au sein du four permet une meilleure répétabilité des déformations engendrées au sein de la pièce [BEA03].

1.2.5. Préparation des surfaces pour la mesure

Après trempe huile, les surfaces des croissants sont nettoyées chimiquement, par décapage à l’acide, afin d'éliminer la calamine qui s’y est formée. Après trempe gaz, la surface est propre de toute oxydation. Dans les deux cas, avant toute mesure tridimensionnelle, les surfaces sont dégraissées avec un solvant pétrolier. Après mesure, les croissants sont regraissés dans le but d’éviter toute oxydation future.