Brevet FR2134199A1 — publié le 19721208

L'invention est relative à un procédé de traitement d'une pièce en acier contre la corrosion due, en particulier, à l'oxyde de plomb, à l'anhydride sulfureux et au pentoxyde de vanadium. L'invention concerne plus particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus d'intérêt, mais non exclusivement, un procédé de traitement des têtes de soupapes de moteurs à combustion interne, notamment des têtes de soupapes d'échappement. On sait que l'oxyde de plomb, l'anhydride sulfureux et le pentoxyde de vanadium ont une action corrosive, sur l'acier, très marquée. En particulier, dans le cas des têtes de soupapes d'échappement des moteurs, la partie de ces têtes se trouvant face aux pistons du moteur, est soumise à un effet de corrosion intense qui réduit la durée de vie de la soupape et peut avoir des conséquences graves sur la tenue du moteur. L'invention a pour but, surtout, de rendre le procédé de traitement tel qu'il réponde mieux que jusqu'à ce jour aux diverses exigences de la pratique et notamment tel qu'il retarde de manière sensible la destruction des pièces en acier soumises à des agents corrosifs, notamment à ceux évoqués précédemment. Selon l'invention, le procédé de traitement est caractérisé par le fait que, dans une première phase, d'une manière connue en soi, on effectue un dépôt de chrome sur la surface de la pièce exposée à la corrosion et que, dans une deuxième phase, la partie de la pièce ainsi recouverte de chrome est portées à une température comprise entre 1.000"C et 1300"C pendant un temps dépendant de cette température mais inférieur à une heure et tel que le grain de l'acier ne grossisse pas exagérément et que le chrome diffuse dans l'acier sur une profondeur inférieure à 20# (microns). Cette profondeur est avantageusement comprise entre 6r et 12, De préférence, dans la première phase, le dépôt de chrome sur la pièce est effectué par voie électrolytique et a une épaisseur de l'ordre de 3/100 millimètre. La deuxième phase peut consister en une immersion dans un four à bain de sel, en un chauffage par induction de la partie recouverte de chrome, ou en un maintien dans un four classique. L'invention est également relative à une pièce en acier ayant subi le traitement défini précédemment, et plus particulièrement à une soupape. Une telle pièce est caractérisée par le fait que la couche superficielle de la partie de la pieè exposée à la corrosion comporte du chrome sur une profondeur inférieure à 20 , comprise de préférence entre 6 et 12. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ciiaprès dans la description détaillée qui suit, donnée avec référence aux dessins ci-annexés. La figure 1 de ces dessins montre, partiellement, une soupape avant traitement suivant le procédé conforme à l'invention. La figure 2 montre la soupape de la figure 1 à la fin de la première phase du procédé de traitement. La figure 3 montre, en coupe partielle, la soupape à la fin de la deuxième phase du procédé de traitement. La figure 4 montre schématiquement, à grande échelle, le chauffage par induction de la tête de soupape. La figure 5 est un dessin établi à partir d'une micrographie d'une tête de soupape traitée conformément à l'invention, avant élimination du chrome excédentaire. La figure 6, enfin, est un dessin établi à partir d'une micrographie montrant la résistance à la corrosion de l'oxyde de plomb d'une partie de pièce en acier traitée suivant le procédé conforme à l'invention, par rapport à une autre partie de la même pièce non traitée. La soupape 1, représentée sur la figure 1, comprend une tete de soupape 2 et une tige 3. Cette tête et cette tige peuvent être réalisées dans la meme nuance d'acier et ne former qu'une seule pièce. Cependant, la tige 3 est soumise à des conditions moins sévères que la tête 2, de telle sorte que la nuance d'acier utilisée pour ladite tige 3 peut être de quotité inférieure à celle utilisée pour la tête 2. En particulier, la tête peut etre réalisée en acier austénitique tandis que la tige est en acier martensitique. Dans ces conditions, la tête 2 est réunie à la queue 3 par une soudure 4. a température maximale que peut supporter cette soudure 4 est de l'ordre de 750tu. La partie de la tête de soupape 2 la plus exposée à la corrosion est constituée par la face 5 tournée vers l'intérieur du cylindre du moteur équipé de ladite soupape 1. Les soupapes soumises à la corrosion la plus intense sont les soupapes d'échappement contre lesquelles s'écoulent les gaz brûlés dont la température est encore élevée. Ces gaz contiennent de l'oxyde de plomb, de 1 t anhydride sulfureux ou du pentoxyde de vanadium provenant du plomb, ou du soufre ou du vanadium contenus par le carburant. Le tour tête 6a de la soupape et la partie 6b située entre la tête et la tige ou "sous-tête" sont également soumis à une corrosion intense puisque les gaz d'échappements'écoulent contre ce tour tête 6a et ce sous-tête 6b. Le traitement de protection doit donc être effectué, non seulement sur la surface 5, mais aussi sur le tour tête 6a et sur la partie du sous-,tête 6b la plus proche de la face 5. Pour cela, conformément à l'invention, dans une première phase, on effectue un dépôt 7 (figure 2) de chrome sur la surface de la soupape 1 exposée à la corrosion, ces t-à-dire sur la face 5 sur le tour tête-6a et sur le sous-tête 6b. Ce dépôt de chrome est obtenu de préférence par voie électrolytique et son épaisseur est de l'ordre de 3/100 millimètre. Toutefois, un tel dépôt pourrait être obtenu également par projection au chalumeau à plasma. La partie de la soupape ainsi recouverte du dépôt de chrome 7 est portée, dans une deuxième phase, à une température comprise entre i,0000C et 13000C pendant un temps de l'ordre de quelques minutes, dépendant de cette température, mais tel que, d'une part, le grain de l'acier ne grossisse pas exagérément et que, d'autre part, le chrome diffuse dans l'acier sur une profondeur inférieure à 20A,comprise de préférence entre 6 et 12 Le chauffage, dans cette deuxième phase, s'effectue de préférence en atmosphère neutre, c'est-à-dire non oxydante. Cette deuxième phase peut consister en une trempe dans un four à bain de sel, (non montré) ou en un chauffage par induction de la partie recouverte de chrome (figure 4), ou en un maintien dans un four classique. Comme le montre la figure 4, dans le cas d'un chauffage par induction, la partie de la soupape recouverte de chrome e-st entourée par des spires Ba, 8b de conducteurs électriques qui, lorsqu'ils sont traversés par un courant électrique, induisent, dans la soupape, des courants-électriques engendrant un échauffement important, en superficie, de la partie de soupape concernée. Les conducteurs électriques des spires 8a, 8b étant traversés. par des courants d'intensité élevée sont creux de manière à pouvoir être refroidis intérieurement. Les spires sont réparties en deux groupes 9a, 9b. Le groupe 9a recouvre le tour tête 6 de la soupape, en épouse sensiblement la forme et est ouvert à -son extrémité située au voisinage du plan de la face 5 de la soupape. Le groupe 9b est placé en regard de la face 5 de la soupape, les lignes moyennes des spires 8b étant situées dans un plan parallèle à celui de la face 5. Les deux groupes Da, 9D peuvent être écartés l'un de l'autre ce qui permet une mise en place aisée de la tête de soupape entre ces groupes et un dégagement facile de ladite tête après chauffage. Généralement, l'épaisseur du dépôt de chrome effectué dans la première phase est suffisante pour qu'à la fin de la deuxième phase, après diffusion du chrome dans l'acier, il subsiste une couche de chrome en excès sur la surface de la pièce à traiter, c'est-à-dire, dans le cas d'une soupape, sur la face 5, sur le tour tête 6a et le sous-tête 6b. Pour débarrasser la soupape de ce chrome excédentaire, on effectue une plonge rapide de la soupape dans un fluide à temps rature ordinaire, dans de l'eau par exemple, de telle sorte que le chrome excédentaire s'écaille et se détache de la soupape. Naturellement, on pourrait effectuer, dans la première phase, un dépôt de chrome dont l'épaisseur serait juste suffisante pour qu'après diffusion, il n'y ait plus de chrome en excès sur la soupape traitée. Cette dernière est montrée en coupe partielle sur la figure 3 où la zone de diffusion du chrome, schématiquement représentée, est désignée par D. Il faut noter que le chrome excédentaire se trouvant à la surface de la pièce traitée, protège cette dernière en cas de traitement en atmosphère oxydante. Un tel essai a été effectué avec chauffage dans un four à 1050QC pendant 15 minutes environ et a donné un résultat satisfaisant. Par contre, dans le cas où l'épaisseur de chrome déposée dans la première phase est telle qu'à la fin de la deuxième phase, il ne reste plus de chrome sur la pièce traitée, l'atmosphère dans laquelle se déroule la deuxième phase doit être neutre. Pour montrer la variation du temps de traitement en fonction de la température de traitement, pendant la deuxième phase, on donne les deux exemples suivants pour lesquels la diffusion du chrome dans l'acier s'est effectuée sur une profondeur de 10 c'est-à-dire 1/100 millimètre: - pour une température de 1050"C, dans un four à bain de sel, le traitement a duré une demi-heure, - pour une température de 12500C, dans un four à bain de sel, le traitement a duré 5 minutes. La couche d'acier dans laquelle le chrome a diffusé, contient de 40 à 50% de chrome, ce qui améliore considérablement sa résistance à la corrosion. En-se reportant à la figure 5, on peut voir un schéma établi à partir d'une micrographie d'une soupape traitée suivant le procédé conforme à l'invention, avant que ladite soupape ait été débarrassée du chrome excédentaire. A désigne les couches relativement profondes de l'acier de la soupape, dans lesquelles le chrome n'a pas diffusé. D désigne la zone superficielle dans laquelle le chrome a diffusé. C désigne la couche de chrome excédentaire. La surface de séparation entre la couche C et la couche D correspond à la face 5 de la soupape en acier. Le grossissement avec lequel cette micrographie a été obtenue est de 420 et l'épaisseur de la couche D est de l'ordre de 6 , tandis que celle de la couche excédentaire de chrome C est de l'ordre de 5/100 millimètre. La nuance d'acier de la soupape de la figure 5 est, selon les normes de l'AFNOR, l'acier z 50 C MN 22-10, c'est-à-dire de l'acier à 0,50% de carbone, 22% de chrome, 10% de manganèse et 4% de nickel. La figure 6 est un schéma obtenu à partir d'une micrographie montrant la résistance à la corrosion à l'oxyde de plomb d'une surface d'acier traitée selon le procédé conforme à l'invention, par rapport à une surface non traitée. L'expérience a été la suivante. Une partie d'une tête de soupape a été traitée conformément à l'invention, de telle sorte que la partie traitée comportait, à sa surface, la couche D dans laquelle le chrome avait diffusé. Le reste de la surface de la tête de soupape, située sur la gauche de la figure 6 n'avait pas été traité. Les parties traitée et non traitée de la tête de la soupape ont ensuite été plongées dans un bain d'oxyde de plomb à 10000C pendant 10 minutes. La figure 6 montre la micrographie pratiquée àla jonction des parties traitées et non traitées de la tête de soupape, après immersion dans le bain d'oxyde de plomb. Il apparaît immédiatement que la partie située à droite de la figure 6 est restée pratiquement intacte, protégée par la couche D dans laquelle le chrome a diffusé. Par contre, la partie E de la tête de soupape située sur la gauche de la figure 6 et qui n'a pas subi le traitement de protection, est fortement endommagée. Cette expérience montre bien la qualité de la protection obtenue par le procédé conforme à l'invention, pour des températures de l'ordre de celles (9000C à 9500C) des moteurs les plus chauds. Dans le cas d'une pièce en deux parties réunies par une soudure ne pouvant supporter une température supérieure à une limite déterminée, notamment dans le cas de la soupape 1 à tête 2, en acier austénitique, réunie à la tige 3, en acier martensitique, par la soudure 4,on choisit la température et la durée de chauffage de la deuxième phase de manière que la transmission de chaleur par conduction vers la soudure soit la plus faible possible et que la température de cette soudure reste inférieure à la limite prédéterminée. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus spécialement indiqués elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'une pièce en acier, notamment d'une tête de soupape, contre la corrosion due, en particulier, à 1 'oxyde de plomb, à 1 'anhydride sulfureux et au pentoxyde de vanadium, caractérisé par le fait que, dans une première phase, d'une manière connue en soi, on effectue un dépôt de chrome sur la surface de la pièce exposée à la corrosion et que, dans une deuxième phase, la partie de la pièce ainsi recouverte de chrome est portée à une température comprise entre 1000"C et 13000C pendant un temps dépendant de cette température, mais inférieur à une heure, et tel que le grain de l'acier ne grossisse pas exagérément et que le chrome diffuse dans l'acier sur une profondeur inférieure à 20 . 2. Procédé selon la . revendication 1 , caractérisé par le fait que l'on choisit la température et le temps de chauffage de la deuxième phase du procédé de manière telle que l'épaisseur de la couche de chrome diffusée dans l'acier soit comprise entre et 12)t. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que, dans la première phase, le dépôt de chrome sur la pièce est effectué par voie électrolytique et a une épaisseur de l'ordre de 3/100 millimètre. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la deuxième phase dudit procédé a lieu en atmosphère neutre. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la deuxième phase consiste en une immersion dans un four à bain de sel. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la deuxième phase consiste en un chauffage par induction de la partie recouverte de chrome. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la deuxième phase consiste en un maintien dans un four classique. 8. Procédé selon l'ensemble des revendications 2 et 5, caractérisé par le fait que la tenpérature de chauffage de la deuxième phase est de 1050"C et que le temps de chauffage est de trente minutes, la profondeur de diffusion du chrome étant égale à 10J 9. Procédé selon l'ensemble des revendications 2 et 5, caractérisé par le fait que la température de chauffage de la deuxième phase est de 12500C et que le temps de chauffage est de cinq minutes, la profondeur de diffusion du chrome étant égale à 10 . 10. Procédé selon l'ensemble des revendications 2 et 5, caractérisé par le fait que la température de chauffage de la deuxième phase est la plus élevée possible et le temps de chauffage le plus réduit possible pour pouvoir assurer une profondeur de diffusion moyenne de 10ou. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel, dans la première phase, on effectue un dépôt de chrome dont l'épaisseur est suffisante pour qu'à la fin de la deuxième phase il subsiste une couche de chrome en excès sur la surface de la pièce traitée, caractérisé par le fait que le chrome excédentaire est détaché de la pièce par une plonge rapide de cette dernière dans un fluide à température ordinaire, notamment de l'eau, à la fin de ladite deuxième phase. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce traitée est composée de deux parties en acier de qualités différentes, la partie exposée à la corrosion et destinée à subir le traitement de protection étant constituée en une qualité d'acier supérieure à celle du reste de la pièce, les deux parties étant reliées l'une à l'autre par une soudure dont la température doit rester inférieure à une limite déterminée, caractérisé par le fait que la température et la durée de chauffage de la deuxième phase du procédé, sur la surface de la pièce soumise au traitement, sont telles que la transmission de chaleur par conduction vers la soudure soit la plus faible possible et que la température de cette soudure reste inférieure à la limite prédéterminée. 13. Pièce en acier dont une partie est destinée à supporter l'action d'agents corrosifs, notamment l'oxyde de plomb, l'anhydride sulfureux et le pentoxyde de vanadium, caractérisé par le fait que ladite partie a subi un traitement effectué selon une quelconque des revendications précédentes, de telle sorte que la couche superficielle de cette partie comporte du chrome sur une épaisseur inférieure à 20/. 14. Pièce en acier selon la revendication 13, caractérisée par le fait que l'épaisseur de la couche superficielle comportant du chrome est comprise entre 6 et 12. 15. Soupape selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisée par le fait que la partie traitée est constituée par la face de la tête de soupape. 16. Soupape selon ltune quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisée par le fait que la partie traitée est constituée par la face de la tête de soupape, par le tour tête et par le sous-tête de soupape.