Tuyaux en acier sans soudure ASTM A519 50B40 : composition de l'acier au bore, trempabilité et traitement thermique

Portée des tubes mécaniques sans soudure ASTM A519/A519M

ASTM A519/A519M couvre les tubes mécaniques sans soudure en acier au carbone et allié fournis dans un état fini à chaud ou à froid, pour les applications mécaniques et sous pression dans lesquelles une chimie définie, une trempabilité contrôlée et des propriétés mécaniques spécifiées sont requises. Le tube est produit en perçant à chaud une billette ronde solide puis en la réduisant, soit par laminage à chaud à la taille commandée, soit par étirage à froid sur un mandrin ou un bouchon. Parce que le produit est sans soudure, il n'a pas de soudure longitudinale et il est donc préféré partout où les propriétés uniformes du cerceau, l'étanchéité à la pression, la concentricité et l'usinabilité constante sont importantes.

La spécification est le pendant des spécifications pour les tubes des spécifications pour les barres : une nuance telle que SAE 50B40 décrit l'acier, tandis que ASTM A519/A519M décrit le produit tubulaire, ses conditions de livraison, ses tolérances et ses tests. Les acheteurs commandent donc par qualité, diamètre extérieur, épaisseur de paroi, état de livraison, longueur et tests à effectuer, et l'usine délivre un certificat d'essai couvrant les résultats chimiques et mécaniques.

SAE 50B40 : Chimie et rôle du bore

SAE 50B40 est un acier au chrome traité au carbone moyen et au bore de la famille 50xx. Le niveau de carbone lui donne de la résistance après durcissement, la petite addition de chrome contribue modestement à la trempabilité et à la résistance à l'usure, et le bore fournit l'augmentation décisive de la réponse au durcissement. Les limites typiques d'analyse en poche appliquées à la nuance sont indiquées ci-dessous.

Le bore produit son effet à des niveaux très faibles, et c'est là l'aspect technique de cette qualité. Quelques millièmes de pour cent de bore suppriment la nucléation de la ferrite aux joints des grains d'austénite pendant le refroidissement, de sorte que la transformation en martensite se poursuit à une plus grande profondeur qu'elle ne le ferait dans le même acier sans bore. La conséquence pratique est que la teneur en alliage, et donc le coût de l'alliage, peut être réduite tout en maintenant la profondeur de durcissement requise. Le bore doit rester en solution pour fonctionner, c'est pourquoi le sidérurgiste retient l'azote avec un petit ajout de titane ou d'aluminium ; lorsque le bore est présent sous une forme inappropriée, il devient inefficace et la trempabilité tombe à celle de l'acier au carbone de base. La température d'austénitisation et le temps de maintien influencent également la croissance des grains et l'efficacité du bore, c'est pourquoi le contrôle du traitement thermique est aussi important que la chimie.

La trempabilité est contrôlée commercialement en commandant une bande de trempabilité plutôt qu'une composition unique. La méthode de test de trempe finale est utilisée pour démontrer la réponse, et la bande limite la dureté qui peut être mesurée à chaque distance de l'extrémité trempée. Il s'agit de la propriété la plus pertinente pour un composant tel qu'un fût de cylindre ou un arbre, car elle détermine si la dureté requise peut être obtenue au milieu de la paroi ou au centre de la section.

Propriétés mécaniques et traitement thermique

ASTM A519/A519M indique que les propriétés mécaniques du tube sont celles de la qualité dans l'état de livraison commandé. En pratique, l'acheteur spécifie soit une plage de résistance à la traction, une limite d'élasticité minimale, une plage de dureté ou une combinaison, et l'usine vérifie le résultat sur des éprouvettes de traction prélevées dans le tube. Les tests de dureté sont souvent spécifiés comme contrôle d'acceptation de routine, et des tests d'aplatissement ou hydrostatiques, ou les deux, peuvent être nécessaires lorsque le tube est utilisé sous pression. Lorsque le tube est utilisé dans un état de trempe et revenu, la résistance et la ténacité sont définies par la température de revenu, et la combinaison requise est convenue à la commande plutôt que supposée à partir de la seule nuance.

Le traitement thermique typique de la pièce finie suit la séquence ci-dessous.

Austénitisant.Chauffage uniforme dans la plage austénitique, communément citée dans la région de 845 à 870 degrés pour cette classe d'acier au carbone-bore moyen. Le temps passé en température doit être contrôlé afin que la structure des grains ne grossisse pas, car les grains grossiers réduisent la ténacité et peuvent diluer les avantages du bore.

Trempe.Trempe à l'huile ou aux polymères, choisie pour que la vitesse de refroidissement dépasse la vitesse critique dans toute l'épaisseur de la paroi tout en limitant les risques de distorsion et de fissuration. Les sections à paroi mince et les tubes longs nécessitent un support ou une trempe verticale pour rester droits.

Trempe.Immédiatement après la trempe, à une température sélectionnée pour produire la dureté spécifiée. Un revenu de l'ordre de 500 à 550 degrés est couramment utilisé pour les aciers au carbone-bore moyen lorsqu'un équilibre entre résistance et ténacité est requis ; des températures plus élevées réduisent la résistance et augmentent la ductilité, des températures plus basses font le contraire.

Lissage et soulagement du stress.La trempe introduit une distorsion et des contraintes résiduelles, c'est pourquoi un redressage et, lorsque la stabilité dimensionnelle est critique, un traitement de soulagement des contraintes sont normalement inclus avant l'usinage final.

Durcissement superficiel.Pour les pièces qui nécessitent une surface dure et résistante à l'usure sur un noyau résistant, un durcissement par induction ou une carburation est appliqué au tube usiné, et la trempabilité de la nuance détermine la profondeur du boîtier durci obtenu.

Applications typiques

Cylindres et tiges de piston hydrauliques et pneumatiques, dont l'alésage doit être usiné, affûté et souvent trempé par induction.

Arbres de transmission creux, arbres d'hélice et arbres de prise de force, où un tube sans soudure permet de gagner du poids par rapport à une barre pleine.

Tubes d'essieu, composants de direction et de suspension et manchons de liaison dans les véhicules utilitaires et les machines agricoles.

Sièges de roulement, bagues et manchons de roulement nécessitant un siège dur et dimensionnellement stable après traitement thermique.

Broches, guides et douilles de machine dans les machines-outils et la construction mécanique générale.

Corps d'amortisseurs, tubes de torsion et pièces rotatives dans les équipements de construction, d'exploitation minière et de manutention.

Pièces mécaniques générales trempées et revenues où un tube usiné et traitable thermiquement remplace une pièce forgée ou une barre solide.

Points d'usinage, de soudage et d'inspection

Usinage.Machines à tubes étirés à froid et recuits pour une bonne finition avec un outillage conventionnel. Étant donné que la teneur moyenne en carbone et l'ajout de bore signifient que la dureté augmente fortement lors du refroidissement, les coupes interrompues et une mauvaise alimentation en liquide de refroidissement doivent être évitées et la pièce doit être usinée à l'état mou avant de durcir lorsque la séquence de processus le permet. La distorsion après durcissement est minimisée par un usinage grossier, un traitement thermique puis une finition.

Soudage.L'équivalent carbone d'un acier à 0,40 % de carbone et jusqu'à 1,00 % de manganèse est suffisamment élevé pour que le soudage nécessite des précautions. Le préchauffage et le contrôle de la température entre les passes sont normalement spécifiés, des consommables à faible teneur en hydrogène sont utilisés et les joints épais ou très retenus subissent un traitement thermique après soudage pour adoucir la zone affectée par la chaleur et réduire le risque de fissuration assistée par l'hydrogène. Lorsqu'un joint doit être soudé à l'état durci, la procédure doit être qualifiée en fonction du niveau de dureté réel.

Vérification chimique.La teneur en bore doit être confirmée par analyse chimique, et un contrôle de l'addition d'aluminium ou de titane constitue une preuve utile que le bore est correctement protégé. Le carbone et le manganèse sont contrôlés par rapport aux limites de qualité.

Trempabilité.Lorsque la commande précise une bande de trempabilité, la courbe de trempe finale est comparée aux limites de bande de la nuance. Pour un tube, la section de paroi est normalement également vérifiée par traversée de dureté ou en sectionnant une pièce représentative après le traitement thermique de production, ce qui constitue la preuve la plus directe que la profondeur de durcissement requise a été atteinte.

Qualité dimensionnelle et interne.Le diamètre extérieur, l'épaisseur de la paroi, l'excentricité de la paroi, la longueur et la rectitude sont vérifiés par rapport aux tolérances de la spécification. Pour les services de pression et de rotation critiques, des tests par ultrasons, généralement référencés à une norme de référence de trou à fond plat, ou des tests par courants de Foucault sont spécifiés pour confirmer la solidité interne, et la surface est examinée pour détecter les joints, les recouvrements, le tartre et la décarburation.

FAQ

Q : À quoi servent les tuyaux en acier ASTM A519 50B40 ?
Il est utilisé pour les tubes mécaniques sans soudure qui doivent être usinés puis durcis, ou fournis déjà trempés et revenus. Les pièces typiques comprennent les cylindres hydrauliques et pneumatiques, les arbres d'entraînement et d'hélice creux, les tubes d'essieu, les sièges et manchons de roulements, les broches de machines et les corps d'amortisseurs dans les véhicules utilitaires, les machines agricoles, les équipements de construction et la construction mécanique générale.

Q : Pourquoi du bore est-il ajouté à l'acier 50B40 ?
Le bore est ajouté en très petites quantités, généralement entre 0,0005 % et 0,003 %, pour augmenter la trempabilité. Il retarde la formation de ferrite aux joints des grains d'austénite pendant le refroidissement, de sorte que l'acier durcit à une plus grande profondeur que la même composition de base sans bore. Cela permet de réduire la teneur en alliage et le coût de l'alliage tout en conservant la profondeur de durcissement requise, ce qui est la principale raison pour laquelle la nuance est compétitive par rapport aux aciers plus fortement alliés.

Q : Quelle est la différence entre 50B40 et SAE 4140 ?
SAE 4140 est un acier au chrome-molybdène qui repose sur le molybdène pour sa trempabilité, tandis que le 50B40 est un acier au chrome à carbone moyen qui repose principalement sur le bore. La nuance bore offre une réponse de durcissement comparable avec une composition plus pauvre et généralement plus économique, mais elle est plus sensible au contrôle du traitement thermique, notamment à la protection du bore par le titane ou l'aluminium et au temps et à la température d'austénitisation. SAE 4140 reste le choix lorsqu'une teneur en alliage plus élevée, une meilleure résistance à haute température ou une tolérance plus large aux variations de processus sont nécessaires.

Q : Les tubes ASTM A519 50B40 peuvent-ils être soudés ?
Oui, mais cela nécessite une procédure contrôlée. Les niveaux de carbone et de manganèse confèrent à l'acier un équivalent carbone relativement élevé, c'est pourquoi le préchauffage et le contrôle de la température entre les passes sont normalement spécifiés, des consommables à faible teneur en hydrogène sont utilisés et un traitement thermique après soudage est appliqué aux joints épais ou retenus pour réduire la dureté dans la zone affectée par la chaleur et éviter la fissuration assistée par l'hydrogène. Le soudage doit être qualifié en fonction de la qualité et de la dureté réelles.

Q : Quelles sont les conditions de livraison disponibles pour le tube A519 50B40 ?
Les tubes sans soudure de cette qualité sont normalement fournis finis à chaud, étirés à froid, recuits, normalisés ou trempés et revenus. L'état est choisi en fonction du procédé de fabrication de la pièce : matériau étiré à froid et recuit pour les usinages lourds, matériau normalisé où une structure uniforme est souhaitée, et matériau trempé et revenu où la pièce est utilisée à l'état durci sans autre traitement thermique.

Q : Quels tests sont normalement requis pour les tubes 50B40 ?
La vérification chimique, y compris la teneur en bore, est fondamentale. Des tests de tension du tube sont nécessaires pour confirmer les propriétés mécaniques de l'état de livraison, des tests de dureté sont généralement spécifiés pour l'acceptation et la trempabilité est démontrée par des tests de trempe finale lorsqu'une bande a été commandée. Les tests par ultrasons ou par courants de Foucault, les tests d'aplatissement et les tests hydrostatiques sont spécifiés pour la pression et le service critique, ainsi que l'inspection dimensionnelle et de surface pour l'excentricité des murs, la rectitude, les joints et la décarburation.

Q : Comment l’épaisseur de la paroi affecte-t-elle le durcissement du 50B40 ?
La trempabilité décrit jusqu'où l'acier peut durcir dans une section, de sorte qu'une paroi mince durcit beaucoup plus facilement qu'une paroi épaisse. Lorsqu'une paroi épaisse doit durcir jusqu'à la paroi médiane ou jusqu'à l'alésage, la bande de trempabilité et la pratique de trempe doivent être sélectionnées ensemble, et une traversée de dureté sur un échantillon sectionné est le moyen pratique de confirmer que la profondeur de durcissement requise a été atteinte avant que la pièce ne soit mise en production.