Brevet FR2281995A1 — publié le 19760312

L'invention est relative aux procédés de traitement de surface des aciers inoxydables, tels notamment que les aciers au nickel-chrome, et en particulier les aciers austénitiques du type 18/10 (18% de chrome, 10% de nickel, ou des proportions voisines). On a déjà proposé, pour améliorer les propriétés de dureté superficielle, donc de frottement, et également de résistance à la corrosion des aciers, de déposer en surface par voie électrolytique une couche d'étain et d'antimoine, et de soumettre l'ensemble à un traitement thermique à une température de l'ordre de 6000C pendant trois heures. On obtient ainsi l'amélioration cherchée, mais ce procédé est coûteux et ne permet pas de réaliser une couche protectrice suffisamment épaisse. L'invention vise à former en surface une couche protectrice d'épaisseur convenable, par exemple de l'ordre de 50 à 100 microns, et par un procédé de réalisation industrielle pratique. Elle consiste principalement, selon le procédé du genre en question, à soumettre la pièce à traiter, en acier inoxydable, enparticulier au nickel-chrome, à l'action d'un bain d'étain en fu sion, maintenu t sone température de l'ordre de 6500C, pendant une durée convenableJ sui peut être de l'ordre de 48 heures, mais qui pourrait être~ndt-ablement plus élevée, notamment jusqu'à 100 heu tes. Un traitement de ce genre donne lieu à formation, à la surface de la pièce traitée, de plusieurs phases successives dont l'unie présente une dureté très élevée de l'ordre de 500 à 700 V (Vickers), et possède également de bonnes propriétés de résistance à la corrosion, même dans un processus combiné de frottement et de corrosion, c'est-a-dire dans le cas de pièces mobiles sous charge dans un milieu agressif. Ceci présente une nouveauté par rapport aux traitements de surface connus, pour lesquels l'augmen- tation de dureté et l'amélioration du frottement qui en résulte ont souvent comme contre-partie une diminution de la résistance à la corrosion. En soumettant la pièce à un usinage ou une rectification convenables, apr & traitement, on enlève les couches superficielles, c'est-à-dire d'abord une couche d'étain, puis une couche de dureté relativement faible comprenant le composé FeSn2, pour laisser subsister enfin la couche particulièrement résistante obtenue, qui contient notamment une teneur en fer et en étain correspondant au composé défini FeSn ainsi que des teneurs non négligeables en chrome et en nickel, et qui peut se présenter sous une épaisseur de l'ordre de 50 à 100 microns, notamment de 50 à 70 microns. Il est cependant à noter que, dans certains cas au moins, on peut laisser subsister l'une au moins des couches superficielles, où la présence d'étain peut contribuer à réaliser, grâce aux propriétés de ce métal, une sorte d'autolubrification. L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préféren- ce en même temps et dont il sera plus explicitement question ciapres. Elle vise, plus particulièrement, certains modes d'application (notamment ceux pour lesquels on l'applique au traitement de pièces destines à être soumises à la fois à frottement et corrosion), ainsi que certains modes de réalisation, desdites dispositions ; et elle vise, plus particulièrement encore et ce à titre de produits industriels nouveaux, les pièces d'acier traitees à l'aide du procédé du genre en question et comportant application de ces mêmes dispositions, ainsi que les ensembles les comportant. Et elle pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ciannexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication. La figure 1, de ces dessins, montre schématiquement les diverses couches obtenues à la surface d'une pièce d'acier traitée par le procédé conforme à l'invention. La figure 2 est un diagramme montrant la variation de la dureté superficielle dans une telle pièce. La figure 3 est un diagramme montrant la répartition des constituants dans les couches. Selon l'invention et plus spécialement selon ceux de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation, de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, disposant par exemple d'un acier austénitique du type 18/10 et se proposant de le traiter superficiellement pour en accrortre notamment la dureté, sans altérer son caractère inoxydable, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue. On réalise une diffusion d'étain vers l'alliage de base, en procédant par immersion de la pièce à traiter, prealablement décapée, dans un bain d'étain en fusion, et en maintenant le traitement pendant une durée convenable des températures com- prises entre 4000 et 7000C. Le décapage préalable a pour but notamment d'enlever le film d'oxyde de chrome naturel qui subsiste à la surface des aciers au nickel-chrome, de façon à favoriser la diffusion de l'étain vers l'alliage de base ; on peut l'effectuer, soit avec un bain acide approprié, par exemple à base d'acide chlorhydrique, soit avec des solutions alcalines, par exemple à base de soude. En ce qui concerne le temps de traitement, il sera notamment de l'ordre de 48 heures, ce chiffre n'étant aucunement limitatif. Quant à la température, il y a intérêt à la faire suffisamment élevée, mais on ne peut dépasser la valeur pour laquelle les aciers de ce genre commencent à être sensibilisés, comme connu, avec tendance à la formation de carbure de chrome. Il semble qu'une température de l'ordre de 500 à 6500C soit particulièrement indiquée. Il est à noter qu'à basse température, le traitement a tendance à favoriser la formation du composé FeSn2 alors que, comme on va le voir, c'est surtout le composé FeSn qui est intéressant. Il faut remarquer enfin que l'utilisation de temps et de températures plus élevés que ceux proposés plus haut, notamment 96 heures à 6500C ou davantage, favorise la formation, à la surface de l'acier inoxydable austénitique, d'une phase ferritique susceptible d'améliorer l'adhérence et la résistance en cours de frottement du composé type FeSn à la surface de l'acier. De telles conditions de traitement pourront donc présenter un grand intérêt dans le cas d'aciers inoxydables austénitiques stabili sés (notamment au molybdéreou au titane) qui ne présentent pas le phénomène de sensibilisation déjà cité. Des essais ont été effectués, notamment sur un acier nickelchrome de composition suivante C Si h S P Ni Cr Mo Ti V Nb 0,028 0,26 1,78 0,019 0,022 9,70 18,31 0,33 Néant 0,026 0,030 et ils ont donné les résultats exposés ci-après, uniquement à titre indicatif. Après un traitement à 6500C pendant 4 heures, on a obtenu en surface, ainsi que le montrent les figures 1 à 3, les rases suivantes A - En sous-couche, l'acier austénitique soumis au traitement, dont la dureté, comme il apparaît sF la figure 2, est de l'ordre de 150 V, cette couche ne paraissant pas avoir CtC sensibilisée par le traitemerAt à 6500C, et la diffusion intergranulaire de l'étain dans la structure austénitique paraissant tres faible. 3 - Au-dessus de la phase précédente, une couche d'aspectho- molène, d'une épaisseur de l'ordre de 50 à 100 microns, notamment de 50 à 70microns, présentant une dureté élevée, de l'ordre de 450 à 500 V, et même pouvant aller jusque 700 et 750 V, l'analyse de cette couche montrant la présence d'une teneur relative en fer et en étain correspondant au composé défini FeSn, avec en outre des quantités importantes de chrome et de nickel. C - Ensuite, une phase plus étendue, d'une épaisseur de l'ordre de 100 microns, qui est moins compacte que la précédente, et de plus faible dureté, soit environ 140 V, la composition correspondant notamment à un composé défini FeSn2, avec de très faibles quantités de chrome et de nickel (inférieures à 1%). D - Enfin, une couche d'étain, avec quelques cristaux polyé driaues du type FeSn2. Les courbes de la figure 3 montrent clairement l'évolution de la concentration des éléments d'alliage dans les diverses phases. On constate d'une façon générale un appauvrissement impcrtant en nickel et en chrome vers la couche extérieure du traitement. Mais on constate aussi, cependant, que les composés du type FeSn et FeSn2 contiennent du chrome et du nickel. Plus particu fièrement, le composé FeSn, situé au contact de l'acier sousjacent présente pour chaque élément des paliers de concentration sur une épaisseur de l'ordre de 10 à 20 microns, semblant indi sue un composé défini du type Fe(Cr Ni Sn). La présence de ce composé semble augmenter la valeur déjà élevée de la dureté de la phase B. Mais, au surplus, le fait que cette phase B soit encore riche en chrome et en nickel donne lieu à de bonnes propriétés de résistance à la corrosion. On voit donc aue le traitement provoque à la fois, dans la couche ou phase B, une auqmentation de la dureté et l'obtention d'une bonne résistance à la corrosion. C'est ce que l'on a constaté dans des essais effectués, tant pour la dureté que pour la corrosion, sur des pièces traitée conformément à l'invention et dans lesquelles lesdites pièces, aa près traitement, ont été rectifiees, par un procédé courant, pour libérer les couches C et D et faire apparaître principalement la couche B, Pour ce qui est de la dureté, on a obtenu l'augmentation considérable déjà mentionnée plus haut et qui apparat sur la figure 2.En ce qui concerne le frottement, qui a été expérimenté sous charge avec des frotteurs en céramique, on a constaté que le coefficient de frottement était indépendant de la charge au-delA d'une valeur limite de celle-ci, ledit coefficient passant de 0,4 à 0,25 environ, c'est-à-dire étant divisé par 1,5, pour une dureté de l'ordre de 500 V. Avec des frotteurs métalliques, le coefficient de frottement a été de trois fois plus faible que pour le métal non traité. Pour ce qui est de la résistance à la corrosion, des essais ont été faits dans une solution normale d'acide sulfurique, et ils ont comporte, cote d'ordinair* l'étude des courbes de passivation. On a constaté que, si l'intensité du courant de passivation était un peu plus élevé que dans le cas d'aciers non traites, elle reste cependant très faible. On peut dire qu'elle demeure 20 fois plus faible que celle obtenue dans le cas des procédés de traitement connus, tels que les traitements de sulfonitruration. La durée de vie en milieu agressif, d'un acier traité selon l'invention, est donc beaucoup plus élevée que celle d'un acier nitruré. Les valeurs expérimentales obtenues permettent d'évaluer à environ 2 à 3 mois la durée de vie dans une solution normale d'acide sulfurique d'un traitement de diffusion d'étain d'une épais- seur de 100 microns, alors qu'un traitement de sulfonitruration de même épaisseur sera détruit au bout de 3 ou 4 jours. Il faut ajouter enfin que ces conditions de bonne résistance à la corroSion demeurent, bien qu'd un moindre degré, même dans le cas de coexistence du frottement et de la corrosion. En suite de quoi, quel que soit le mode de réalisation adopté, on peut établir des pièces en acier inoxydable dont les surfaces travaillantes peuvent être nettement améliorées, tant en ce qui concerne la dureté ou le -frottement, que la résistance à la corrosion. Le procédé de traitement est simple et donc peu coûteux. Pour la mise des pièces à la cote requise, on procédera comme pour les divers traitements de surface connus, en tenant compte ici de la rectification à faire subir à la pièce pour faire apparaitre la couche efficace telle que désignée plus haut par B. Mais, comme on l'a dit, dans certains cas, on pourrait laisser, au moins partiellement,les couches C et D. On notera qu'éventuellement tous moyens agitateurs pourront être prévus pour accélérer les échanges et que notamment les pièces, convenablement supportées, pourraient être mises en rotation ou soumises à tous autres mouvements. 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 et de réalisation qui ont été plus spéciale- ment envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de traitement des aciers inoxydables, notamment des aciers austénitiques au nickel-chrome, par exemple du type 18/10, caractérisé par le fait que les pieces à traiter sont soumises à l'action d'un bain d'étain en fusion dans lequel elles restent immergées pendant une durée convenable, la température du bain étant de l'ordre de 400 à 7000C, notamment de l'ordre de 500 à 6500C. 2 - Procéde selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le traitement a lieu pendant un temps suffisant pour l'obtention d'une couche à plusieurs phases d'une épaisseur totale de l'ordre de 200 microns. 3 - Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le temps de traitement est de l'ordre de 20 à 100 heures, notamment de l'ordre de 48 heures. 4 - Procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le traitement provoque la formation d'une couche de haute dureté formée d'un composé type FeSn éventuellement recouverte d'une autre couche formée d'un composé type FeSn2. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la couche de haute dureté a une épaisseur de l'ordre de 50 à 100 microns, notamment de 60 microns. 6 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait qutaprès traitement les pièces sont soumises à rectification, pour faire apparaitre la couche dure contenant le composé FeSn 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les pièces, avant immersion dans -le bain de traitement, sont soumises à un décapage, notamment à l'acide chlorhydrique. 8 - Pièces métalliques, notamment d'aciers inoxydables austénitiques, en particulier du type 18/10, caractérisées par le fait qu'elles sont traitées en surface conformément aux procédés selon l'une quelconaue des revendications 1 à 7.