Brevet FR2468658A1 — publié le 19810508

Pièce profilée en acier comportant un revêtement résistant à l'usure et son procédé de fabrication. La présente invention concerne une pièce profilée en acier comportant un revêtement résistant à l'usure constitué par au moins un carbure des groupes III à VI de la classification périodique des éléments, ainsi qu'un procédé pour sa fabrication. Il est connu d'améliorer en surface des pièces profilées résistant encore insuffisamment à l'usure par divers procédés. Cette amélioration peut s'effectuer par exemple par nitruration de l'acier ou récemment d'une façon en particulier élégante par revêtement des substrats avec une couche superficielle résistant à l'usure, qui est appi-iquée selon le procédé dit CVD (dépôt chimique en phase vapeur). Gracie au procédé CVD, il est possible de développer complètement les propriétés positives des carbures, en particulier leur grande dureté et leur résistance élevée à l'usure sur les surfaces fonctionnelles des outils, sans que leur ductilité déficiente en soi se manifeste ici défavorablement. Ceci a conduit à des prolongations considérables de la vie des outils. Il est déjà connu de revêtir les parties d'outils soumises à des conditions sévères, comme par exemple les chemises de cylindre, à l'intérieur, avec des couches de blindage résistant à l'usure (voir par exemple Maschinenmarkt, wùrzburg, 831977)66, ainsi que Xunststoffberater 6/1978, pages 322 et suivantes. Comme matières premières pour support dans la mesure ou il faut un revêtement CVD, on utilise des aciers courants facilement disponibles qui favorisent le dépit des couches de carbure résistant à l'usure.Dans ce cas, il s'agit d'aciers riches en carbone, dont le carbone dans la zone limite est cédé à la couche formant le carbure, ce qui Sit que le manque de carbone dans la zone limite de l'acier peut se compenser par diffusion ultérieure du carbone à partir de l'intérieur de l'acier.Les matières premières pour support utilisées ayant une quantité de carbone relati vement élevée peuvent souvent bien se souder et sont résistantes à la chaleur. Grâce à l'addition d'aciers austénitiques CrNi, on peut obtenir également de bonnes propriétés anti-corrosion des matières premières pour support. Les matières premières de base utilisées jusqu'ici avec une quantité de carbone relativement élevée, permettant ainsi une bonne formation des couches résistant à l'usure, présentent cependant une ténacité de base encore insuffisante pour une exactitude des dimensions constante. Neme quand celle-ci existe de façon initialement satisfaisante dans le cas unique, cette exactitude est perdu en partie par le traitement thermique nécessaire pour le revêtement CVD. Mais, étant donné que les pièces profilées revêtues représentent fréquemment des parties de machine, sur lesquelles elles doivent être enroulées ou bridées, des problèmes se sont posés qui peuvent se rapporter à une stabilité dimensionnelle, à une ténacité de base, etc. encore insuffisantes, des aciers utilisés, tout au moins après leur traitement thermique CVD. La présente invention a pour objet de créer des pièces profilées du type mentionné au début, qui comportent un revêtement CVD dense, uniforme, dur et résistant au mieux à l'usure, ou le substrat présente une stabilité dimensionnelle et des propriétés de ténacité de base améliorées, également après le traitement thermique CVD En particulier, le revêtement de carbure résistant à l'usure doit adhérer très solidement au support et ainsi également pour des contraintes mécaniques élevées, avec la stabilité dimensionnelle exigée, ces propriétés de résistance au frottement et de résistance à l'usure peuvent se développer sans déformation, destruction ou autre détérioration. Ce problème est résolu par la création d'une pièce profilée du type mentionné au début, caractérisée par le fait que (a) sur l'acier, qui présente une faible teneur en carbone, (b) sans formation d'une zone limite ou d'une zone intermé diaire décarburées, (c) la couche de carbure est appliquée en une épaisseur supérieure ou égale à 5 Jusqu'ici, pour les buts pratiques, il n'était pas question d'utiliser des pièces profilées à base d'acier pauvre en carbone comportant une couche CVD.Comme on l'a déjà dit précédemment, on considère comme importante la diffusion du carbone à partir de l'acier riche en carbone dans la couche de formation du carbure pour obtenir un revêtement CVD qualitativement très résistant, qui se manifeste5 sans inconvénient sur les propriétés du support,par une diffusion ultérieure du carbone à partir de l'interieur de l'acier. Avec les aciers pauvres en carbone, (par exemple C inférieur ou égal à 0,6 5), on a pensé que le carbone dans la zone limite serait insuffisant pour la formation d'un carbure suffisamment épais et suffisamment dur présent en proportion sensiblement stoechiométrique. Grâce à la présente invention, sont alors créées d'une façon tout à fait surprenante des pièces profilées présentant les propriétés optimales qui sont exigées par exemple à l'intérieur des tubes, des chemises, des coquilles ou des carters blindés pour le travail des matières synthétiques, aussi bien en ce qui concerne la partie support qu'en ce qui concerne les couches CVD. Dans les pièces profilées conformes à la présente invention on utilise particulièrement avantageusement un acier dont la quantité de carbone est inférieure à 0,6% en poids, et se situe particulièrement de préférence dans la gamme d'environ 0,3 à 0,55 % en poids Toutefois, sont utilisées en particulier des aciers pour la pièce profilée conforme à la présente invention, dont la quantité de carbone est inférieure à 0,6 % en poids, la quantité de chrome est inférieure à 6 % en poids et la quantité de vanadium est inférieure à 2% en poids. Les aciers de ce genre utilisés sont par exemple 1.2581 X 30 W cr V 93 (0,31 % C; 2,7 % Cr; 0,4% V) 1.2567 X 30 W Cr V 53 (0,3 -Ó C, 2,4 % Cr; 0,6 ed V) 1.2713 55 Ni Cr Mo V 6 (0,55% C; 0,7% Cr; 0,1 V) 1.2714 56 Ni Cr Mo V 7 (0,55% C; 1,1%Cr; 0,1 V) 1.2678 X 45 Co Cr WV 555 (0,41% C; 4,3% Cr; 1,9% V) 1.2343 X 38 Cr o V 51 (0,36% C; 5% Cr; 0,4% V) 1.2344 X 40 Cr Mo V 51 (0,4%-C; 5,2% Cr; 1,0%V) 1.2365 X 32 Cr Mo V 33 (0,31t C;2,9E Cr; 0,54 V) 1.2606 X 37 Cr Mo Nu 51 (0,36% C; 5,0% Cr; 0,25t V) 1.2603 45 Cr V o W 58 (0,43% C; 1,85% Cr; 0,83 V) 1.2323 48 Or o V 67 (0,45E C; 1,65% Or; 0,3% V) 1.2622 X Go W Or o V 94 (0,58% C; 3,75t Cr;; 0,7% V) 1.2673 X 27 Co Mo W Cr V 22 (0,27% C; 1,3% Or; 0,3% V) 1.2766 35 Ni Cr o 16 (0,35t C; 1,3 % Cr) 1.2767 x 45 NiCrMo4 (0,45% C; 1,3t Cr) Dans les pièces profilées conformes à la présente invention, la couche de carbure est formée avantageusement à partir du métal et de carbone dans un rapport stoechiométrique ou dans un rapport pour l'essentiel stoechiométrique. Ainsi, on est assuré que la couche CVD est homogène et présente des propriétés favorables, en particulier la dureté. Pour certains carbures, la dureté de la couche est fortement influencée par la stoechiométrie de la combinaison. Ainsi, on peut montrer que la dureté de la couche de TiC (HV0,025) peut dépendre du carbone du substrat, car en tenant compte du réglage des proportions stoechiométriques métalcarbone, ce carbone influence avantageusement la formation du revêtement déposé. Ceci s'obtint à partir des données suivantes dans lesquelles la dureté HV0,025) de la couche de TiC est mesurée en fonction du carbone du substrat: 1.3505 (100 Cr 6) 1 % C - 3298 daN mm-2 1.2063 (145 Cr 6) 1,45 % C - 3353 daN mm-2 1.2080 (X 210 Cr 12) 2,1 % C - 3450 daN mm-2 A 110 (3 % C, 4 % Ni) - 3700 daN mm-2 La formation d'un TiC très en-dessous de la stoechio métrie, par exemple jusqu'à TiC0,48 donne par contre des duretés de couche basses inférieures â 3200 HV. Dans les pièces profilées conformes à la présente invention, les carbures des @roupes III à VI de la classification périodique des éléments (ce qu'on appelle ici les "sous-groupes" y sont inclus), ou les combinaisons de ces carbures, peuvent être utilisés. Les exemples préférés sont le carbure de titane, le carbure de vanadium, mais également le carbure de chrome, le carbure de molybdène, le carbure de tungstène, etc.. De plus, cela est particulièrement favorable quand la couche de carbure ne contient pour l'essentiel pas de fraction libre en carbone. Pour la formation de couches résistant à l'usure de grande dureté, on préfère en particulier un carbure de titane, à partir duquel de préférence la couche totale CVD se constitue dans un rapport sensiblement stoechiométrique.Sont en particulier préférées les pièces profilées qui sont caractérisées par le fait que la dureté Vickers HV0,025 est au moins d'environ 3200 daN.mm 2 quand le carbure -2 est le carbure de titane, au moins environ 2600 daN.mm quand le carbure est le carbure de vanadium, au moins 2 200 daN.mm#2 quand le carbure est le carbure de chrome Cr7C3, ou qu'elle s élève davantage. La dureté Vickers de la couche de carbure est ici déterminée selon la norme DE S0133 feuille 2. Les pièces profilées conformes à la présente invention représentent de préférence des tubes, des chemises, des coquilles, des buses, des vis dUArchimède ou des carters revêtus à a. l'intérieur. Une possibilité d'utilisationp#rti- culière se situe dans l'utilisation des corps de boudineuses ou des pots d'injection, qui sont couverts sur toute leur surface intérieure avec une couche résistante a l'usure. 235 pièces cylindriques de ce genre sont, en particulier en tenant compte des propriétés de la couche résistant à l'usure qui suffit d'une façon optimale aux vis en service et aux contraintes mécaniques se manifestant, extraordinairement favorables pourle caractère immédiat de l'adhérence de la couche CVD à la couche d'acier ainsi que pour l'aptitude aux contraintes mécaniques de la matière du support. Les pièces profilées conformes à la présente invention peuvent être fabriquées en chauffant l'acier ou la pièce d'acier à faible teneur en carbone, de préférence ayant une teneur en carbone inférieure à 0,6 %, à environ 5000 - 70000 dans une atmosphère inerte, puis en maintenant en atmosphère décarburée à une température comprise entre 50000 et sensiblement la température de la formation d'austénite dans l'acier puis en effectuant à la température de revêtement, le dépôt CVD à partir d'un mélange gazeux qui est riche en composants fournissant le carbone. Grâce au chauffage dans une atmosphère inerte jusqu'à environ 70000, on est sûr qu'il ne se produit aucune décarburation de l'acier qui, en outre1 présente déjà une faible teneur en carbone. Le chauffage qui fait suite est alors poursuivi particulièrement de préférence à partir d'environ 70000 dans une atmosphere carburante. Une atmosphère carburante de ce genre peut par exemple représenter un mélange gazeux d'hydroôarbures, par exemple méthane, propane, etc. et d'hydrogène, des mélanges gazeux d'environ 20 % de CH4 et 80 % de H2 étant particulièrement préférés.Par l'expression "atmosphère carburante" sont compris de préférence les mélanges gazeux dans lesquels il n'y a pas de carbone libre dans la phase gazeuse (suie) bien que l'activité du carbone dans le gaz soit cependant suffisamment élevée pour qu'une diffusion dans la zone limite de l'acier s'effectue en un temps relativement court. On préfère particulièrement que la carburation s'effectue sous pression réduite plutôt qu'à la pression normale, par exemple sous environ 100 mbars, ce qui permet d'obtenir une carburation régulière et complete. L'atmosphère carburante peut être maintenue jusqu'à ce qu'on obtienne la température de formation d'austénite dans l'acier.Des durées de carburation appropriées se calculent selon le type d'acier utilisé, la composition du mélange de carburation, etc. et peuvent être déterminées par des essais simples Des durées appropriées peuvent être par exemple comprises entre 1/2 heure et 3 heures. Pour la réalisation du dépôt CVD, on utilise un mélange gazeux approprié pour le dépôt ai carbure souhaité, que le technicien connaît. Par rapport aux conditions de dépôt classiques, on opère cependant dans le procédé conforme à la présente invention avec un mélange gazeux qui est particulièrement riche en composants donnant le carbone. Par exemple, un revêtement de TiC est fréquemment déposé d'une façon classique avec un mélange de TiOl4. CH4 = lol. Dans le procédé conforme à la présente invention, on obtient par contre des résultats particulièrement favorables en augmentant la quantité de composants carbonés.Grâce aux mesures du procédé conforme à la présente invention, des couches se forment par exemple par dépôt du TiC dans un rapport presque stoechiométrique, avec une épaisseur qui est supérieure ou égale à 5 pmO Malgré une quantité de CH4 élevée, il ne se forme pas de carbone libre dans la couche de TiC et il ne se produit pas de phénomène de décarburation de acier ou il ne se forme pas de couches intermédiaires pauvres en carbone. Dans la réalisation du procédé conforme à la présente invention D relative au dépot du carbure de titane, des couches de TiC, (par exemple supérieures ou égales à 5g e de dureté élevée sont obtenues en chauffant dans une atmosphère de gaz inerte 70000, puis en traitant dans une atmosphère carburante pendant une heure avec un mélange gazeux de 20 % de CH4 et de 80 O de H2lpuis en revêtant avec du carbure de titane contenant un excès d'hydrocarbure, par exemple du méthane par rapport au tétrachlorure de titane La dureté du revêtement TiC déposé sous une forme homogène et dense est de HV0,025 = 3200 daMomm Une décarburation notable de la zone limite du substrat n'est pas décelable. Dans la réalisation du procédé conforme à la présente invention, il n'est toujours pas nécessaire de remplacer le milieu carburant complètement par le mélange gazeux qui est nécessaire pour le dépôt CVD. Souvent, il est possible d'ajouter au mélange de carburation, qui peut être constitué par exemple d'hydrogène et de ~I4 l'halogénure métallique approprie en une quantité telle que le mélange gazeux résultant soit riche en composant donnant du carbone.Par l'expression "riche en composant donnant du carbone, on désigne en parti culer ceux des mélanges gazeux dans lesquels la quantité de composant donnant du carbone, comme le CH4, par rapport à la quantité d'halogénure métallique correspondant1 est élevée vis-à-vis des proportions stoechiométriques. La figure unique ci-jointe représente une pièce profilée conforme à la présente invention, à savoir un corps de boudineuse revêtue selon le procédé CVD. Dans cette figure, 5 représente la chemise du corps revêtu selon le procédé CVD, en acier ayant une teneur en carbone inférieure à 0,6% en poids. Sur le dessin,3 et 4 reprisent le cône de serrage et le collier de soupape ainsi que 2 représente le nez de la vis et 1 désigne la vis qui peuvent être également revêtus selon le procédé CVD. Il doit être bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que toutes variantes ou modifications peuvent y être apportées sans sortir pour autant du cadre général de la présente invention, tel que défini dans les revendications ci-annexées. REVENDICATIONS 1. Pièce profilée en acier comportant un revêtement résistant à l'usure, constitué par au moins un carbure des groupes III à VI de la classification périodique des éléments, caractérisé par le fait que (a) sur l'acier qui présente une faible teneur en carbone, (b) sans formation d'une zone limite ou d'une zone intermédiaire décarburées, (c > la couche de carbure est appliquée en une épaisseur supérieure ou égale à 5 fi. 2. Pièce profilée selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la quantité de carbone de l'acier est inférieure à 8,6 e en poids. 3. Pièce profilée selon les revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que dans l'acier1 la quantité de carbone est inférieure à 0,6 % en poids, la quantité de chrome est inférieure à 6 % en poids et la quantité de vanadium est inférieure à 2 90 en poids 4. Pièce profilée selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que la couche de carbure est formée d'un métal et de carbone en proportions stoechiométriques ou pour l'essentiel stoechiométriques. 5. Pièce profilée selon l'une quelconque des revendications 1 à fl, caractérisée par le fait que la quantité de carbone du carbure est de 0,95 à 1 équivalent par rapport à l'équivalent métal correspondant de chaque composé carbure. 6. Pièce profilée selon l'une quelconque des revendications l à S, caractérisée par le fait que la couche de carbure ne convient pour l'essentiel pas de carbone libre. 7. Pièce profilée selon laune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que la couche de carbure contient du TiC ou bien est constituée par le TiC. 8. Pièce profilée selon l'une quelconque des revendications l à 7, caractérisée par le fait que la couche de carbure contient du carbure de vanadium ou est constituée par le carbure de vanadium. 9. Pièce profilée selon l'une quelconque des revendications l à 8, caractérisée par le fait que la dureté Vickers de la couche de carbure 'w 025 est d'au moins d'environ 3200 daN.mm-2 quand le carbure est le carbure de titane, et au moins d'environ 2 600 daN.mm 2 quand le carbure est le carbure de vanadium, et au moins 2200 daN.mm 2 quand le carbure est le carbure de chrome Cr7C3,ou bien qu'elle s'élève davantage. 10. Pièce profilée selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par le fait que la pièce profilée représente un tube, une chemise, une coquille, une buse, une vis sans fin ou un carter, revêtus intérieurement. 11. Procédé pour la fabrication de pièces profilées selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que (a) on chauffe l acier ou la pièce d'acier à environ 500 - 70000 dans une atmosphère inerte, (b) ensuite on maintient dans une atmosphère carburante à une température comprise entre 50000 et sensiblement la température de la formation d'austénite dans l'acier, puis (c) on effectue le dépôt selon procédé CVD avec un mélange gazeux riche en composant donnant du carbone à la tempé rature de revêtement. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'on effectue la carburation sous pression réduite.