Brevet FR2001100A1 — publié le 19690926

i 2001100 La présente invention a pour objet le durcissement superficiel des aciers par nitruration. Le durcissement superficiel par l'azote des aciers, habituellement appelé la nitruration consiste à soumettre la 5 pièce en acier à l'action d'un milieu azoté à une température élevée pour augmenter la dureté de la surface de la pièce. Il existe trois procédés de base utilisés dans ce but. L'un est le procédé de nitruration par un liquide suivant lequel les parties superficielles devant être durcies sont traitées dans 10 un bain de cyanure-cyanate à des températures comprises entre 500°C et 550°C environ. Une variante de ce procédé consiste à soumettre ce bain à de l'ammoniac anhydre gazeux sous une près- p sion de 0,07 à 2,1 kg/cm et une autre variante est le procédé appelé à "bain aéré" suivant lequel un barbotage d'air est 15 établi à travers le bain. Le procédé de nitruration par un gaz comporte le chauffage de la partie de la surface à durcir à une température d'environ 500°C à 550°C environ dans une cornue dans laquelle de l'ammoniac anhydre est introduit sensiblement à la pression atmosphérique. Le procédé de nitruration dit à 20 "effluve", appelé aussi nitruration par ionisation comporte le chauffage de -la surface à durcir à une température de 500°C à 550°C environ dans un mélange d'azote et d'hydrogène sous une pression nettement Inférieure à la pression atmosphérique et à établir une décharge du type effluve sur la surface à 25 traiter. Cette décharge ionise l'azote et facilite sa combinaison chimique avec les éléments de la surface pour former des nitrures. Il sera noté que tous les aciers ne peuvent pas être ~ efficacement durcis de cette façon. C'est en particulier le cas 50 des aciers au carbone non alliés. Il sera noté aussi que le nitrure de fer Fe^N et les mélanges de Fe^N et de Fe^N ne sont pas particulièrement durs, les couches superficielles ainsi formées étant fragiles. Les aciers pouvant être nitrurés disponibles commercialement pour être ainsi traités contiennent des 35 quantités appréciables d'éléments d'alliage formant des nitrures stables. Ces aciers contiennent typiquement en poids environ 0,20 à 0,45 % de carbone, 0,40 à 0,70 % de manganèse, 0,20 à 0,30 % de silicium, 0,90 à 1,50 % d'aluminium, 0,90 à 69 01731 2 2001100 1,80 % de chrome, 0,15 à 1,00 % de molybdène et> dans certains alliages, 3,25 à 3,75 % de nickel. Il sera observé que certains de ces aciers ne contiennent pas tous ces éléments mais que les aciers courants pouvant subir la nitruration contiennent 5 des quantités appréciables d'aluminium et de chrome. Parmi les éléments d'alliage formant des nitrures, l'aluminium vient en premier rang en ce qui concerne la dureté obtenue ainsi que la stabilité du nitrure formé. D'autres éléments formant des nitrures relativement stables ayant des teneurs élevées en azote 10 sont le vanadium, le titane, le zirconium, l'hafnium, le nio-bium et le tantale. Les aciers habituels pouvant être nitrurés sont, en général, traités dans une atmosphère de gaz ammoniac à des températures comprises environ entre 500°C et 550°C pendant 15 des durées d'environ 30 à 80 heures. Ce traitement permet en général d'obtenir des duretés superficielles d'environ 800 à 1 200 Vickers avec des épaisseurs de couche dure comprises environ entre 0,25 et 1,0 mm. Comme tous les aciers pouvant être nitrurés sont 20 bien plus coûteux que les aciers au carbone non alliés, il est désirable de disposer d'un traitement pour les aciers au carbone non alliés, c'est-à-dire des aciers contenant du carbone mais pas d'éléments d'alliage formant des nitrures stables qui permettraient le traitement de nitruration. 25 D'une façon générale, suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, la partie à durcir d'une pièce en acier au carbone non allié est soumise à un traitement électrochimique et thermique pour la diffusion dans la surface de la pièce d'un élément pouvant former des nitrures stables et la 30 pièce ainsi traitée est soumise à un traitement thermique dans un milieu azoté pour former une dispersion de nitrure de l'élément diffusé dans la partie superficielle de la pièce. Plus particulièrement, et à titre d'exemple, il a été constaté conformément à l'invention que des éléments formant 35 des nitrures tels que l'aluminium, le chrome, le titane, le zirconium, l'hafnium et le vanadium peuvent être diffusés dans la partie superficielle d'un acier au carbone non allié par un procédé électrochimique de diffusion de métal et que la sur 6e 01731 3 2r 01100 face peut être durcie en formant des nitrures de ces éléments. Ce procédé est décrit plus en détail dans le Brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 232 853 (diffusion de chrome) et dans les Brevets Français ri° 1 544 317 (diffusion d'aluminium), 5 n° 1 544 31? (diffusion de zirconium et d'hafnium), n° 1 544 319 (diffusion de titane) et n° 1 544 320 (diffusion de vanadium). Ce procédé consiste d'une façon générale à utiliser comme cathode l'article en métal devant subir la diffusion du métal, par exemple en acier doux au carbone non allié avec une anode 10 formée par le métal à diffuser dans la cathode et dans une cuve contenant un électrolyte constitué essentiellement par un fluorure d'un métal alcalin et des mélanges d'autres fluorures, la composition de 1'électrolyte, la température et d'autres conditions de fonctionnement dépendant de l'élément formeur 15 de nitrure choisi. Au cours des essais effectués en utilisant le procédé selon la présente invention, un certain nombre d'échantillons d'acier au carbone non allié du type S.A.E. 1015 laminé à froid ont été soumis à la diffusion de titane et de zirconium de la • 20 façon décrite dans les demandes de Brevets des Etats-Unis d'Amérique précitées et ont été nitrurés par le procédé ionique pendant plusieurs heures à 5§0°C dans un appareil de nitruration ionique donnant un effet équivalent à celui du procédé de nitruration par l'ammoniac, mieux connu. La dureté Vickers des 25 échantillons ainsi traités est comprise entre 800 et 1 000, ce qui est comparable aux valeurs obtenues avec des aciers alliés nitrurés classiques. Il ressort de ce qui précède que la présente invention apporte un procédé pour le durcissement efficace de la surface 30 " des aciers au carbone non allié par diffusion par un procédé électrochimique d'un élément formeur de nitrure choisi dans le groupe constitué par l'aluminium, le chrome, le titane, le zirconium, l'hafnium et le vanadium dans la partie superficielle de la pièce et ensuite par traitement thermique de la 35 pièce dans un milieu azoté à une température comprise entre 500°C et 600^C. Il doit être observé que l'opération de nitru-rï^ion pe.ut être faite par d'autres procédés connus, par exemple en utilisant une atmosphère de gaz ammoniac o\i un bain de sel azoté fpndu. 40 - Bien entendu, la description qui précède n'est pas limi tative et 1*invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 01731 4 2001100 REVENDICATIONS \ 1° - Un procédé pour durcir par nitruration.une partie de la surface d'une pièce en acier au carbone non allié caractérisé par la diffusion dans la partie superficielle à durcir d'un métal formant un nitrure stable et par le chauffage de cette partie superficielle dans un milieu azoté pendant un temps suffisant pour provoquer la réaotlon du métal diffusé avec l'azote afin d'établir une dispersion de nitrure de ce métal dans la partie superficielle. 2° - Procédé de durcissement par nitruration selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal diffusé est choisi dans le groupe constitué par l'aluminium, le chrome, le titane, le zirconium, l'hafnium et le vanadium, 3° - Un article comprenant un corps en acier au carbone non allié avec une couche superficielle dure,caractérisé par une partie superficielle durcie contenant une dispersion d'au moins un nitrure d'un métal choisi dans le groupe constitué par 1'aluminium, le chrome, le titane, le zirconium, l'hafnium et le vanadium, traité par le procédé selon la revendication 1.