Brevet FR2240302A1 — publié le 19750307

La Présente invention est relattive à un procédé nouveau pour les traitement de pièces mécanigues dont la surface extérieure contient du titane. Il peut s'agir : . de pièces en titane massif . de pièces en un allisge de titaue . de pièces réalisées en un matériau quelconque, mais revê turs superficiellement de titane ou d'alliage de titane. On sait que le titane est un métal possédant des oaractéris tiques intéressantes ; en particulier, il est léger, patiquement insensible - la corrosion et possède de bonnes propriétés mécaniques Par contre, le titane un grave inconvénient : il possède de très mauvaises qualités de frottement et grippe sur la majorité des artres matériaux. La présente invention a pour but d'éviter cet inconvénient et revendique un procédé nouveau qui permet d'améliorer considéra blement les caractéristiques de frott@mont dos pièces mécaniques dont la surface extérieure contient du titane. Le Procédé selon l'invention, pour le traitement de pie ces dont la surface extérieure contient du titane, est caractérisé en ce que les pièces à traiter sont chauffées à une température com prise entre 450 et 880 C en présence d'oxygène dans une enceinte, dans laquelle, avant qùe soit introduit l'oxygène, on a fait le vi de pendant une durée limitée, de fagon à ce cue la pression dans l'enceinte soit alors comprise entre 1 et 10-8 Torr, puis on a isolé l'enceinte du dispositif de mise sous vide, la quantité d'oxy gène mise en présence des pièces à l'intérieur de l'enceinte étant comprise entre C,1 et 60 cm3 d@oxygène par cm2 de surface à traiter. Syuvabt ybe orenuère caractéristique de l'invention, la succession des opérations est la suivante a) On place les pie Ces dans une enceinte reliée au dispositif de mi se sous vide b) On fait le vide dans cette enceinte de fagon à ce que la pression y soit comprise entre 1 et 10-8 Torr c) On isole l'enceinte du dispositif de mise sous vide d) On introduit dans l'enceinte une Quantité d'oxygène définie en fonction de i;;a surface extérieure totale des pièces a traiter contenues dans l'enceinte e) On chauffe l'enceinte contenant les pièces à olle température comprise entre 450 et 880 C Suivant une autre caractéristique de l'invention, la mise s@us vide est effectuée à un moment quelconque aprés que l'enceinte ait été portée à une températare supéri@@rs à la t@mpérature ambiante ; dans ce cas, l'erdre des opérations devient : a) Mise des pièces da@s l'enceinte ; b) Mise en romte da système de chamffage ; c) Mise seas vide puis isolation de l'@neinte ; d) Indreduetien de l'exygène. Sivant une autre cersctéristi@@e de l'inventien. l'exv@èss nécessaire au traitement peut $tre apperté par a'imperte quel moyen ; à titre d'ex@@ples nen limitatifs : . seus forme de gaz directement injecté dans l'enceinte . par l'intermé@iare d'une @ubstanee susoeptible de libérse de l'oxygène so@@ l'action de la températ@re @ cette zubstance pout par exemple @tre un exyde, . par dégazage d'un cerps ayant au préalable adsorbé de l'oxygème...detc Suivant mue autre caractéristique de l'invention, l'exygème m'est pas intreduit en tetelité au départ, mais est introduit tout au long de la hase ou bien en continu ou bien par beuffées saceesaivee. Suivant une autre caractéristique de l'inventien, on plus de l'exygène, en introduit dans l'emceinte étanche un gaz meutre de complèment ; la quantité de gax de complèment aimsi intreduite peut être quelcenque, mais il est particmlièrement recommandé de la calculer pour qu'après dilatatien, la pressien garamse à l'imtérieur de l'encainte seit semsiblement égale à la pression atmespaérique ; avantagausement, le gaz mentre decemplèment est censtitué par un gaz drare de l'air, tel par exemple l'argen. Suivant une autre caractéristique de l'imventien, le refreidissement des pièces z'effectme lentement à l'intérieur de l'enceinte, c'est-à-dire en cesmant simplement de chauffer l'enceinte. Suivant une autre caractéristique de l'imventien, en refreidit les pièces brusquemment, em bien à l'intérieur en bien à l'extérieur de l'enceinte. Une pièce seiem l'inventien, dent la contient initialement du titane, est caractérface extérieure traitement, elle est rev@tue d'une couche superficielle à base d'exydes de titane dont l'épqisaeur est supérieure à 5 micrens. Depuis l'extérieur vers l'imtérieur la dereté superficielle de la pièce traitée décroit régulièrement jusqu'à retreuver la dureté de le p@ècs @ coeun ; ainsi 1@ du@@@é @@xi@ale est obbenue e- surface, L'intérêt du point de vue frotienent d'un tel type de couche réside dans les principaux points suivants : - La dureté superficielle de la pièce en titane est élevée ; elle paut atteindre 1000 HV sous 15 grammes, alors que la dureté moyerne des alliages de titane à coeur n'est que de 340 HV ; ceci fait que les piéces traitées résistent nettement mieux à l'usure et à l'abrasion que les pièces non traitéees. - @ es oxydes de titane sont très peu sensibles au grippage ; ceci fait que les pièces traitées peuvent frotter sans se dégrader, alors que des pie ces no-- traitées grippent quasi instantanément. - Le fait que dans l es zones superficielles de la pièce les carac- téristiques mécaniques et principatement de dureté aillent en décroissant depuis la surface vers l'intérieur, est particulièrement favorable au frottement, même dans des conditions de charge treks sévères. - La couche est parfaitement liée au support dont elle fait partie intégrante, ce qui en frottement est particulièrement favorable car les écaillagessont évités. Voici maintenant une description plus précise de la couche obtenue par le procédé selon l'invention. Si l'on introduit dans l'enceinte contenant les pièces à traiten un volume d'oxygène compris entre 1,4 cm3 et 60 cm3 par centimètre oarré de surfaoe à traiter, la pièce après traitement est revêtue d'une couche de couleur marron dont l'épaisseur est comprise entre 5 et 15 mierons. Si l'on introduit un volume d'oxygène compris entre 0,1 cm3 et 1,4 cm3 par centimètre carré de surface de pièce, la pièce ap@es traitement est recouverte d'une couche de couleur bleue dont l'épaisseur est comprise entre 10 et 25 microns ; plus particulièrement, si le calcul de la quantité d'oxygène introduite dans l'enceinte a été effectu6 sur la base de 0,5 è 0,8 cm3 d'oxygène par c de surface à traiter, l'épaisseur de la couche est maximèle et comprise entre 20 et 25 microns. Les dessins annexés, donnés è titre d'exemples non limitatifs, permettront de mieux comprendre les ceractéristiques de l'invention. La figure l est une yue en coupe représentant schémati quement un exemple d'enceinte pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; à l'intérieur de cette enceinte se trouve plecëe une pièce 2 à traiter ; cette pièce peut être en titans massif, en un alliage de titane, ou bien recouverte de titane ou d'un alliage de titane. L'enceinte i est munie de moyens de chauffage, constitués par exemple par des résistances électriques 3 permettant de faire varier avec précision la température à l'intérieur de l'enceinte, au fur et à mesure que la mise en oeuvre du procédé se déroule. L'installation de mise sous vide 6,@ompe oa analogue, est reliéeà l'espace intérieur de l'enceinte I. Enfin, on prévoit une canalisation 4 pour l'alimentation en oxygène et une canalisation 5 pour l'alimentation en un gaz inerte tel que l'argon. Le traitement s'effectur comme précédemment indiqué par chauffage entre 450 et 880 C, dans une atmosphère contsnant une quantité d'oxygène proportionnelle à la surface totals derla pièce 2. Cette quantité doit être comprise entre 0,1 et 60 cm3, de préfé rence entre 0,5 et 0,8 cm3 par cm2 de surface à taiter. Après traitement, on constate que la surface de la pièce 2 est revêtue d'une couche à base d'oxydes de titane, dont les carac téristiques sont illustrées sur le graphique de la figure 2 donné à titre d'exemple non limitatif. Sur le graphique, établi à parttir d'une pièce 2 en alliage de titane UTA6V (c'est-à-dire contenant 6% Al, 4% V le reste étant le titane), on a tracé en trzit plein une courbe mentrant la loi de variation de l'àpaisseur de la couche snperficielle en fenotion de la quantité d'oxygène introduite par cm2 de surface à traiter dans l'enceinte 1. Sur l'exe des ordonnées, les épaisseursont graduées en microns. Sur l'axe des abscisses, les quantités d'oxygène uni taires sont graduées en cm3 par centimètre carré de surface à trai ter. On constate que - pour une quantité d'oxygène introduite comprise entre 0,5 et 0,8 cm3 par cm2 de surface à taiter, la cour@e présente un maximum très prononcé, correspondant à und épaisseur de couche comprise entre 20 et 25 microns ; -entre 0,1 et 1,4 cm d'oxygène par cm de surface à traiter, la couche superficielle dont In pièce 2 se trouve revêtue, présente une coloration bleue ; pour une valeur supérieure à 1,4 cm3 par cm2 cet te coloration est marron. Enfin, on a tracé en traits interrompus sur la figure 2, une courbe illustrant l'allure de le variation, an fonction de la quantité d'oxygène introduite dans l'emceinte, du coefficient de frottement f conféré à la pièce 2 par sa couche superficielle. On -voit que ce coefficient de frottement présente un minimum pour une quantité d'oxygène comprise entre 0,5 et 0,8 cm3 per cm2 de surface à traiter ; c'est-à-dire que dens cette zone se trouve. la couche suporficielle présentant à la fois l'épaisseur maximale (enviren 25 microns) et le coefficient de frottememt minimum. Cette couche offre done des caractéristiques particulièrement intéressantes. En définitive, on constate que le procédé selon l'inven. tion permet, par un choix précis des conditions opératoires, d'obtrenir un résultat surprenant et particulièrement avantageux. Ce résultat consiste à faire appsraître sur une pièce dont la surface extérieure contient du titane, une couche superficielle dure d'épaisseur supérieure à 5 mioroas, à base d'oxydes de titane possèdant un bas coefficient de frottement. La pièce traitée par le procédé selon l'invention possède une excellente résistance su: grippage et à l'usure Voici des exemples non restrictifs des performances en frottement obtenues avec le procédé selon l'invention : 1 - Essai type Faville Ce type d'essai a été réalisé sur machime Faville Levally où un cylindre de diamètre 6,5 mm et de hauteur 40 mm est mis en rotation entre deux mors taillés en V à 90 ; on applique sur les mors une charge croissant liméairement en fonction du temps. L'essai est effectué à l'air ambiamt. Une éprouvette témoin non traitée en alliage contenant 6% d'aluminium et 4% de vanadium (norme française UTA6V) grippe instantanément entre des mors en acier, tandis qu'une éprouvette faite du même alliage que précédemment mais traitée par le procédé selon l'invention, peut atteindre une charge de 600 daN sans qu'aucun grippage n'apparaisse. Un enamen micrographique de la zone frottante de l'éprouvette après essai montre qu'il y a eu fluage du support dans usure de la couche (usure inférieure à 1 mg). 2 - Essai sur machine de frottement cylindre sur plan Une bague de diamètre extérieur 35 mm, de hauteur égale à 20 mm tournant à une vitesse de 1200 tours tar minute frotte sur une plaquette parallélépipédique de dimensions 30 x 18 x 8 mm. On applique sur cette pl@quette une charge croissante, variant de 0 @ 600 da@ on 3 minutes 20 secondes. La charge maximale étant at@ teinte, on poursuit l'essai à cette charge manimale jusqu'à une durée totale de 7 minutes. L'essai est effectué dans l'huile de vaseline 26. Une éprouvette témoin non traitée en alliage de titane UTA6V frottant sur une plaquette en acier rapide grippe sous @0 da@ de charge tandis qu'une éprouvette faite du même alliage que précédemment mais traitée par le procédé selon l'invention, peut atteindre la charge de 600 daiN et tourner pendant 7 minutes sous cette charge sans qu'aucune trace de grippage ou d'usure n'apparais se REVENDICATIONS 1- Precédé de traitement de pièces dont la surface contaient du titane, en vue d'améliorer leurs propriétés de frottement et leur résistance au grippage et à l'usure, ces pièces étant soumises à une oxydation superficielle, caractérisé en ce qne les pièces sont chauffées à une température comprise entre 450 et 8800 s en présence d'exygène dans une enceinte dans laquelle, avant que soit introduit l'oxygène, on fait le vide pendant une durée limitée, de fagon à ce qne la pression dans l'enceinte soit alors comprise entre l et 10 - torr, pnis on a isolé l'enceinte du dispositif de mise sous vide, la sasse d'oxygène mise en présence des pièces à l'intérieur de l'enceinte étant caloulée proportionnellement à la surface extérieure totale de la pièce à traiter. 2- Procédé suivant la revendication 1, caractérise en ce tue l'enceinte contient une masse d'oxygène comprisè entre 10-3 et 2,55 mg d'oxygène par cm2 de surface à traiter. 3- Procédé selon la revondication 1, caractérisé en ce qu'il comprend lei phases snccessives suivantes : . on place la pièce dans une eneeinte . on fait le vide dans cette enceinte pendant une durée limitée . on isole l'enceinte du diapesitif de mise sas vide . on introduit dans l'enoeinte une quantité d'oxygène telle que défi nie précédemment . on chauffe l'enceinte à une température comprise entre 450 Cet 880 4- Procédé solen la revendication 1, caraotérisé on ce que l'ordre des opérations est le suivant i . on place la pièce dans l'enceinte -. on chauffe l'enceinte . on fait le vide pendant une durée limitée . on introduit l'oxygêne . on chauffe l'enceinte 5- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxygène née cessaire au traitement est introduit en totalité au départ. 6- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxygène né- cessaire ai traitement est intreduit tout au long de la ase de chauffe on bien en continu, ou bien par bonfféss successives. 7- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la quantité d'oxygéne nécessaire au traitement peut être introduite soit sous forme de gaz, soit par l'intermédiaire de substanoes suscoptibles de libérer de l' erygène sovs l'action de la température, soit encore par dégazage d'an corps ayant an préalable absorbé de l'oxygène. 8- Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la substance susceptible de libérer de l'oxygène sous l'action de la température est un oryde. 9- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que en plus de l'oxygène , on introduit dans ltenceinte un gaz de complément. 10- Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que la quantité de gaz de complément introduite en plus de l'oxygène dans l'enceinte est calculée de façon telle qu'apuès dilatation la pression à lintérieur de l'en- ceinte soit sensiblement égale à la pression atmosphérique. 11- Procéda selon la revendication 9, caractérisé en ce que le gas de complément est un gaz rare de l'air, par exemple l'argon. 12- Procédé selon la revendication 1; caractérisé en ce que lé temps de maintien en température est compris entre 2h et 30h. 13- Procédé suivant @a revendication 1, caractérisé en ce que le refroidis- sement des pièces s'effectue lentement dans l'enceinte c'est-à-dire en cds sant simplement de chauffer l'enceinte. I4- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement des pièces après tràiteXent s'effectue brusquement ou bien à l'intérieur ou bien à l'extérieur de l'enceinte. 15- Pièces obtenues par la mise en oeuvre du procédé suivantl'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa surface extérieure contenant initialement du titane, est revêtue après traitement d'une couche à base de titane dont l'épaisseur est - supérieure à 5 microns.