Brevet FR2001101A1 — publié le 19690926

La présente invention concerne le durcissement superficiel des pièces métalliques et des pièces métalliques traitées par ce procédé. I1 est souvent désirable d'augmenter la. dureté d'une pièce métallique pour augmenter sa résistance à l'usure ou à ltérosion. Par exemple un procédé connu consiste à nitrurer des parties de la surface d'une pièce en acier allié par un traitement thermique dans un milieu azoté pour augmenter substantiellement la dureté de la surface. Trois procédés de base sont utilisés habituellement dans ce but.L'un des procédés est le procédé de nitruration par un liquide suivant lequel les parties de la surface, devant être durcies, sont traitées dans un bain de cyanure-cyanate fondu à des températures comprises environ entre 5000C et 550 C. Des variantes de ce procédé consistent 9 soumettre le bain à du gaz ammoniac anhydre sous une pression de 0,07 à 2,1 kg/cm2 et le procédé dit à bain aéré" suivant lequel un barbotage d'air est établi à travers le bain. Le procédé de nitruration par un gaz consiste à chauffer la partie dont la surface doit être durcie à environ 5000C à 550au dans une cornue dans laquelle de l'ammoniac anhydre est envoyé sensiblement à la pression atmosphérique.Le procédé de nitruration par effluve électrique, parfois appelé la nitruration ionique, consiste à chauffer la partie dont la surface doit Qtre durcie à une température d'environ 5000C à 550 C dans un mélange d'azote et d'hydrogène sous une pression sensiblement inférieure à la pression atmosphérique et à établir une décharge du type effluve à la surface de cette partie. La décharge ionise l'azote et facilite la combinaison chimique avec la surface devant être durcie pour la formation des nitrures. I1 doit être noté que tous les aciers ne peuvent pas gtre effectivement durcis de cette façon. En particulmSr, ?tes aciers au carbone ne peuvent pas être durcis par nitruration. il sera noté aussi que les nitrures de fer Fe4N ou des mdlanges de Fe4N et de Fe2N ne sont pas particulièrement durs et que les couches superficielles formées sont fragiles. Les aciers pouvant etre nitrurés, disponibles commercialement et convenant pour la mise en oeuvre du procédé, contiennent des quantités substantielles d'éléments d'alliage formant des nitrures stables, par exemple de l'aluminium, du chrome, du vanadium, du titane, du zirconium, de I'hafnium, du niobium et du tantale. Ces aciers alliés sont bien plus coûteux que les aciers au carbone non allié, le traitement de nitruration demande des temps importants, par exemple jusqu'à 80 heures et les surfaces dépassent rarement une dureté Vickers de 1.000. I1 est évidemment avantageux de pouvoir obtenir pour des aciers au carbone non alliés et pour d'autres métaux et alliages ne pouvant pas être nitrurés des duretés superficielles comparables à celles obtenues par nitruration. L'invention a pour objet un procédé pour le durcissement superficiel des métaux, ainsi que les articles traités par procédé. D'une façon générale, suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, une couche de chrome est formée par dépit électrolytique sur la surface de la pièce métallique par un procédé classique. La surface chromée est ensuite chauffée dans une atmosphère azotée. non oxydante pendant un temps et à une température suffisants pour convertir une partie substantielle du chrome en nitrure de chrome sous la rorme d'une couche extérieure dure et pour former une liaison par dirrusion entre le reate de la couche de chrome et la masse métallique située en dessous afin de fixer fermement la couche de nitrure de chrome à la pièce métallique. Plus particulièrement, et à titre d'exemple spécifique, une couche de chrome d'une épaisseur d'environ 65 microns déposée électrolytiquement par un procédé courant sur la surface d'un acier au c arbone moyen a 0,2 environ) peut centre traitée thermiquement pendant 3 heures à 10000C dans un mdlange à )d% d'azote et 70%-d'hydrogène sensitlement à la pression atmosphé- risque. La dureté Vickers initiale de la surface chromée est d'environ 650.Après le traitement thermique; la dureté Vickers devient égale à 1450, suivant l'essai donné en exemple L'examen montre que la partie extérieure de la couche déposée a été convertie en nitrure de chrome et que la j partie intérieure-de la couche a formé une liaison par diffusion- dans l'acier constituant le support. L'ensemble composite de la couche est constitué d'une couche extérieare de nitrure de chrome Cr2N, d'une zone de nitrure de chrome et de chrome non réagi, d'une zone composée de chrome et d!un alliage support ayec diffusion mutuelle, et finalement de l'alliage support. Il sera noté que ces différentes zones ne peuvent pas entre distinguées d'une façon nette des zones adjacentes, mais que la composition varie progressivement d'une zone la.suivante. Les surfaces exposées à l'dure préparées de la façon décrite ci-dessus, ont une durée nettement supérieure quand elles sont utilisdes dans des conditions hautement érosives, par comparaison aux surfaces en acier plaqué de "chrome dur". La surface en nitrure de chrome a aussi une résistance à la corrosion bien supérieure à celle des aciers nitrurés classiques. On remarque que la conversion du chrome en nitrure de chrome, réalise conne décrit cf-dessus,est une réaction pour laquelle le temps et la température sont en relation mutuelle. Par suite, si la température est abaissée en--dessous de la valeur 10000C, considérée dans l'exemple ci-dessus, le temps nécessaire pour que la réaction établisse une épaisseur donnée de nitrure augmente et si la température est élevée, ce temps est réduit. Bien que la description qui précède soit faite en considérant le cas d'un support en acier au carbone non allié, à titre d'exemple, il doit entre noté que n' importe quel support métallique pouvant. entre chromé, ayant une température de solidus supérieure à la température du traitement thermique, et dans lequel le chrome peut diffuser pour former la liaison, peut être traité- par le procédé selon l'invention. La composition de l'atmosphère utilisée pendant le traitement thermique peut varier largement, les seules conditions requises étant que la pression de l'azote de cette atmosphère soit suffisante pour que la réaction de nitruration puisse avoir lieu et qu'en dehors de cette réaction, l'atmosphère soit inerte par rapport à la abouche de chrome et à la pièce métallique dans les conditions utilisées pour le traitement thermique. Dans certains cas, l'utilisation d'un gaz fortement réducteur, tel que l'hydrogène peut être indésirable dans l'atmosphOre de traitement, par exemple pour certains alliages à base de cuivre contenant normalement des oxydes ; dans ce cas, il peut être désirable d'utiliser une atmosphère formée d'azote et -d'un gaz inerte, tel que l'argon. De toute façon, la teneur en azote peut entre comprise en volume entre environ 15 et. environ 40%, la teneur optimale étant d'environ 30 à 33%. I1 doit être notd qu'aucun des procédés classiques de nitruration précédemment utilises, pour nitrurer les alliages d'acier aptes à être nitrurés, ne peut convenir pour la mise en oeuvre de la présente invention. Bien entendu, la description qui précède n1 est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre SUiVant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. R E V E N D I C A T I O N s 1 - Un procédé pour former une surface dure sur une partie de pibce métallique soumise à usure, caractérisé par le dépit d'une couche de chrome sur la surface devant Autre durcie et - par le traitement thermique de la surface chromée dans une atmosphère azotée pendant un temps et à une température suffisants pour conver-tir la partie extérieure de la couche de chrome en nitrure de chrome et pour produire par diffusion une liaison à l'inter- race entre le chrome et le métal support, 2 - Procédé selon la revendication. 1, caractérisé en ce que la partie soumise à usure de la pièce métallique. est en acier au carbone non allié. 9 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'atmosphère azotée contient au moins 15 en volume d'azotc, le reste étant pratiquement de l'hydrogène. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pièce chromée est traitée thermiquement à une température comprise entre 9000C et 11000C. 5 - Un article manufacturé comportant une surface dure sur un substrat métallique, caractérisé par une couche de chrome fixée au substrat par une liaison formée par diffusion entre la couche superficielle et le substrat métallique pour constituer une structure composite.