Brevet FR2481322A1 — publié le 19811030

Méthode de traitement de pièces en acier par nitruration ionique La presente invention a pour objet une méthode de traitement de pièces en acier par nitruration ionique afin de leur con férer un durcissement superficiel qui amdliore leurs caracté- ristiques de tenue à la fatigue, cette méthode étant plus précisément applicable aux ressorts de soupapes. On sait, en effet, que les ressorts de soupapes de moteurs à combustion interne sont soumis à d' d'importantes contraintes de compression et thermiques, ce qui se traduit au bout d'une certaine période de fonctionnement par un avachissement suivi éventuellement d'une cassure.A la suite de recherches dans ce domaine, la Demanderesse a mis au point une méthode selon laquelle on chauffe les pièces à traiter, par exemple les res- sorts de soupapes, à une température située dans la plage de 400 à 450 C, de préférence 420 C, par bombardement ionique sous une atmosphère riche en azote, après quoi on les maintient dans cette plage de tempdratures pendant une période de 11 ordre de 15 à 17 heures, de préférence 16 heures, de façon à former par diffusion de l'azote dans l'acier des nitrures du type Fe4N et Fe2N responsables du durcissement superficiel de la pièce. L'invention vise également les pièces en acier renfermant des nitrures du type précite. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels t - la figure 1 représente des courbes illustrant le durcisse ment superficiel des pièces traites par nitruration ionique - la figure 2 représente des courbes illustrant la tenue à la fatigue g et - la figure 3 est une coupe micrographique dans une pièce traitée par la méthode de nitruration ionique selon l'in vention. On traite un certain nombre de ressorts de soupapes du type "LE HANS", en acier de qualité O1EVA 70 refondu sous vide, par chauffage à 420 C par bombardement ionique au moyen d'un dispositif approprié sous une atmosphère riche en azote pendant deux heures. Âpres diffusion de l'azote dans l'acier, on peut mettre en évidence dans ce dernier par des méthodes appropriées la formation de nitrures Fe4N et Fe2N qui provoquent un durcissement suivant un profil, en fonction de la profondeur, comme représenté sur les courbes de la figure 1.Sur cette der nière, on a représenté les résultats du durcissement obtenu par nitruration ionique en mesurant la dureté Vickers sous 300 g pour la courbe Â et sous 100 g pour la courbe B. cette dureté étant portée en ordonnées pour des profondeurs portées en abscisses en mm à partir de la surface traitée du ressort de soupapes Afin de réaliser des essais de fatigue, on a choisi parmi les pièces traitées six ressorts de soupapes que l'on a réparti en trois lots de deux ressorts, les essais étant conduits dans les conditions suivantes s - Fréquence 4250 t/mn - Hauteurs de levée MINI s 20,5 mm M & I : 35,5 mm Les résultats sont rassemblés dans le tableau suivant : RESULTATS DES ESSAIS DE FATIGUE (hauteur de levée : 20,5 - 35,5 mm) Charges initiales Taux de contrainte RESULTATS Perte de hauteur Décanewton initial Non cassé (mm) (Mégapascal) à (x106 sous sous Mini Maxi Mini Maxi cycles) H mini H maxi Nitruration ionique 5 75 130 950 29,2 0,20 0,30 16 heures à 420 41,1 0,15 0,30 Idem + blocage à 250 C 3,5 70 90 890 35,8 0 0 24,0 0,10 0 Idem + grenaillage 3,5 70 . 90 890 42,6 0,10 0 43,8 0,10 0 Ces résultats montrent qu'aucun ressort nta cassé au bout de 24 x 106 cycles minimum. Les deux ressorts bruts de nitruration ionique avaient, après essai, une perte de hauteur moyenne de levée de 0,25 mm, soit un détarage de 1 daN0 Les quatre autres ressorts bloqués à 2500C (détarage préalable de 5 daN) avaient, après essai, une perte de hauteur de levée négligeable (détarage Ces résultats ont été reportés sur la figure 2 pour former un diagramme de Weibull (I), le pourcentage cumulé à la rupture étant représenté en ordonnées tandis que le nombre de cycles de fonctionnement l'est en abscisses, et sur papier iogarithmique. Les croix représentent les résultats obtenus avec les ressorts traités par nitruration ionique selon l'invention, tandis que les flèches voisines des croix indiquent que l1es- sai a pu se poursuivre sans qu'aucun ressort traité n'ait été rompu. Par comparaison, le diagramme de Weibull (fui) montre que sur huit ressorts du même type, non traités selon l'invention mais essayés dans les mêmes conditions que spécifiées plus haut, cinq ressorts se sont rompus en fatigue avant 24 x 106 cycles. Sur la figure 3 est représentée une micrographie de grossissement 200, dans laquelle on discerne une couche blanche de 5-10 > im (A), une couche enrichie à l'azote donc plus dure de 20-25/ tOO mm (B) et une structure sorbitique (C)O L'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit précédemment, mais englobe toutes les modifications et variantes issues du meme principe de base. En outre, il est concevable qu'un tel traitement améliore également la résistance à la détérioration par contact ou frottement du ressort de la soupape en affolement à haute fréquence. REVENDICATIONS 1. Méthode de traitement des pièces en acier, par exemple des ressorts de soupapes, par nitruration ionique afin de leur conférer un durcissement superficiel qui améliore leurs caractéristiques de tenue à la fatigue, caractérisée par le fait que l'on chauffe les pièces à une température située dans la plage de 400 à 45000 par bombardement ionique sous une atmosphère riche en azote, après quoi on les maintient dans cette plage de températures pendant une période de l'ordre de 15 à 17 heures, de façon à former par diffusion de l'azote dans l'acier des nitrures du type Fe4N et Fe2N responsables du durcissement superficiel de la pièce. 2. Méthode de traitement selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la pièce à traiter est chauffée à une température de 420 C sous une atmosphère riche en azote pendant 16 heures 3. Pièces en acier, par exemple des ressorts de soupapes, caractérisées par le fait qu'elles renferment des nitrures du type Fe4N et Fe2NO