Brevet FR2503191A1 — publié le 19821008

La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces mécaniques à haut facteur de charge, en particulier de pièces mécaniques de moteur à explosion, présentant une âme résistante et très solide ainsi qu'une couche superficielle dure et résistante à llu- sure et à la corrosion même aux températures élevées de fonctionnement. Lorsqu'au cours du fonctionnement d'une machine des pièces de celle-ci doivent être utilisées à des températures de travail ou de fonctionnement élevées et dans des conditions se modifiant continuellement, par exemple en cas d'augmentation importante et soudaine suivie d'une diminution sensible de la pression, et éventuellement en atmosphère corrosive, en particulier lorsque ces pièces coopèrent sous une forme finale et par exemple produisent des mouvements s'inversant, comme cela est le cas pour de nombreuses pièces de moteur à explosion, elles doivent, pour pouvoir remplir leur fonction pendant une durée suffisamment longue, être conçues pour pouvoir supporter les contraintes extraordinairement complexes qui agissent sur elles. Des pièces mécaniques de ce type sont généralement réalisées en acier hautement allié qui, après le façonnage correspondant sont traitées thermiquement par trempe et revenu , ou durcies et/ou soumises à un traitement de diffusion thermochimique dans des produits générateurs de carbone, d'azote ou de bore. Le type de procédé à utiliser dépend en premier lieu du but fixé pour chaque pièce mécanique et des contraintes prévues lors de son emploi, les coûts des procédés de ce type sont relativement élevés, en particulier pour les pièces mécaniques qui nécessitent non seulement un traitement thermochimique, mais encore un traitement thermique postérieur ou antérieur. Un but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de pièces mécaniques à haut facteur de charge du type mentionné ci-dessus permettant d'obtenir des surfaces de pièces mécaniques qui soient résistantes à un échauffement d'environ 4000C, également à une contrainte de choc ou de friction et également à une déficience de lubrification ou d'une éventuelle attaque d'un produit corrosif et permettant d'obtenir des pièces pouvant subir des efforts sous des charges élevées et variables sans fatigue, lesdites pièces pouvant en outre être obtenues également à des coûts grandement inférieurs à ceux des procédés connus jusqu'ici. Ce but est atteint par la présente invent ion qui concerne en effet un procédé de fabrication de pièces mécaniques à haut facteur de charge, en particulier de pièces mécaniques de moteur à explosion, présentant une âme résistante et très solide ainsi qu'une couche superfi cielle dure et résistante l'usure et à la corrosion même aux températures élevées de fonctionnement, ledit procédé étant caractérisé par les étapes suivantes a) On fabrique tout d'abord lesdites pièces à partir d'un matériau de base, à savoir à partir d'un acier microallié, pauvre en carbone, qui présente une teneur de jusqu'à environ 0,2% en poids de vanadium comme générateur de carbure ou de carbonitrure;; b) On les soumet ensuite à un procédé deboruration au cours duquel, à une température correspondant à la température de mise en solution du vanadium au dessus de la température de transformation du matériau de base en phase X d'environ 860-10000C, le vanadium d'une part se met en solution dans la phase X se trouvant dans le matériau de base et, d'autre part le bore, ayant diffusé à l'intérieur de la surface des pièces mécaniques, forme une couche superficielle de Fe2B de plusieurs dixièmes de millimètres d'épaisseur et, c) On les soumet enfin à une étape de refroidissement selon une vitesse de refroidissement d'environ 10 à 300C par minute , pour éviter l'apparition de fissure dans la couche superficielle borurée et il en résulte une structure de perlite à grains fins dans le matériau de base ainsi qu'une trempe par durcissement structural procurant une âme de pièce mécanique résistante à solidité élevée. En ce qui concerne le procédé de l'invention on doit noter que l'utilisation d'aciers microalliés à structure à grains fins ou similaires, ainsi que la boruration ou similaire sont connues pour la fabrication de pièces mécaniques. Par contre, ce qui n'est pas connu est d'utiliser, pour une pièce mécanique, un acier micro-allié pauvre en carbone présentant jusqu'à 0,2% en poids de vanadium, comme produit de départ pour la fabrication d'une pièce métallique, de borurer ensuite cette pièce à une température correspondant à la température de mise en solution du vanadium et de la refroidir d'une fa çon telle qu'on obtienne dans le matériau de base une structure de perlite à grains fins et une trempe par durcissement structural. Une pièce mécanique obtenue selon le procédé de l'invention ne nécessite aucun traitement thermique supplémentaire et présente cependant au moins les mêmes bonnes propriétés qu'une pièce mécanique obtenue à partir d'un acier plus fortement allié, boruré et trempé. Un avantage important du procédé selon l'invention réside en ce que l'utilisation d'acier micro-allié moins cher qu'un acier plus fortement allié permet déjà d'économiser sur le coAt du matériau. Une autre baisse du coût réside en ce que, par le procédé de l'invention, d'une part on supprime l'étape très conteuse, de traitement thermique par trempe et revenu nécessaire pour l'obtention des propriétés requises et, d'autre part, le procédé de boruration est le procédé thermique le plus économique en vue d'obtenir une couche superficielle à très haute dureté et une résistance à l'usure et à la corrosion élevée. De façon avantageuse, le traitement thermique relativement simple selon l'invention rend possible un durcissement extrême de la surface et une grande solidité de l'amie même pour des pièces de forme compliquée qui ne peuvent etre soumises sans inconvénients à plusieurs échauffement et refroidissement rapides dans le cadre d'un traitement thermique après durcissement thermochimique extrême de la surface au moyen d'une couche fragile relativement fine. En outre le traitement thermique selon l'invention confère une solidité élevée à l'âme des pièces et permet en même temps également la formation d'une couche superficielle dure qui soit la plus épaisse possible en fonction de l'alliage constituant le matériau de départ choisi conformément à l'invention. Les pièces mécaniques sont tout d'abord obtenues à partir d'un acier micro-allié générateur de grains fins. Les aciers micro-alliés sont normalement caractérisés par de petites additions, environ jusqu'à 0,2e en poids d'aluminium, niobium, titane, ziconium et vanadium, en tant que générateurs de carbure ou de carbonitrure. Pour le procédé de l'invention on utilise surtout un acier avec jusqu'à 0,2% en poids de vanadium en tant que générateur de carbure ou de carbonitrure, car seul le vanadium présente la propriété de passer complètement en solution dans l'austénite à la température inférieure à 10000C à laquelle on peut effectuer une boruration. Ledit acier micro-allié présente en plus du vanadium comme constituant de base du fer, de préférence moins de 0,4% en poids de carbone et de plus, les additifs d'alliages habituels. Parmi ces additifs on doit citer en premier lieu le manganèse utilisé en vue d'augmenter la solidité à raison de jusqu'à 3% en poids et également une quantité plus faible de silicium inférieure à 0,6% en poids. Comme autres additifs à l'acier micro-allié utilisés dans la présente invention on peut avantageusement utiliser également du molybdène, du nickel, du cuivre et également éventuellement du chrome avec une teneur, pour chacun de ces additifs, comprise entre O et 0,5% en poids. L'addition de molybdène sert surtout à diminuer la vitesse du refroidissement nécessaire à la formation de perlite ce qui permet de réduire le risque de formation de fissures dans la couche superficielle borurée. En outre il peut être souhaitabie que l'acier utilisé selon l'invention contienne en plus du vanadium, du niobium comme autre générateur de grains fins, suivant toutefois une teneur inférieure à celle du vanadium. Après l'obtention de la forme définitive de la pièce mécanique, on soumet celle-ci au cours de la seconde étape à un procédé de boruration. Pour ce faire, la pièce mécanique est environnée dans un récipient d'un produit générateur de bore. On chauffe ensuite la pièce à une température d'environ 860-10000C, supérieure à la température de transformation du matériau de base, ladite température correspondant à la température de mise en solution du vanadium dans le matériau de base, et on la maintient à cette température pendant une durée de plusieurs heures, cette durée étant dépendante de l'épaisseur souhaitée pour la couche. I1 s'ensuit, d'une part une mise en solution du vanadium dans la phaserdu matériau de base et d'autre part, une diffusion du bore libéré par le produit générateur de bore à la surface de la pièce mécanique et donc la formation d'une couche superficielle de Fe2B de quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur. L'épaisseur de la couche superficielle ainsi formée dépend du carbone et de certains constituants d'alliage présents dans l'acier. La faible teneur en carbone de l'acier micro-allié utilisé selon l'invention favorise la formation de la couche borurée. Pour la fabrication d'engrenage et l'adhérence de la couche superficielle borurée sur le matériau de base, d'autres constituants d'alliage de l'acier ont egalement de l'importance. Le manganèse et le nickel n'influencent guère l'épaisseur de la couche et la fabrication d'engrenage. Le nickel comme le carbone et le silicium sont poussés vers l'intérieur par le bore ayant diffusé et s'accumulent sous la couche superficielle de Fe2B. Le vanadium serait préjudiciable à l'épaisseur de la couche et à la qualité de l'engrenage seulement si sa teneur dépassait C,28 environen poids. Ce ne peut être le cas pour l'acier micro-allié utilisé dans la présente demande. Après le procédé de boruration, on soumet les pièces métalliques à un procédé de refroidissement au cours d'une troisième étape. On effectue ce dernier principalement à une vitesse de refroidissement de 10 à 300C par minute. Comme indiqué plus haut en ce qui concerne l'addition de molybdène, on peut également obtenir une formation de structure de perlite à grains fins et une trempe par durcissement structurale dans le matériau de base avec une vitesse de refroidissement encore plus faible au moyen de petites quantités appropriées d'additifs d'alliage. D'éventuelles zones ferritique résiduelles sont soit négligeables soit rassemblées à l'intérieur de la pièce de telle sorte qu'elles ne peuvent causer aucune influence défavorable aux qualités requises pour la pièce. Une vitesse relativement lente admissible pour le changement de structure, permet en même temps d'éviter l'apparition de fissures dans la couche superficielle borurée. Par le procédé de l'invention on obtient des pièces de machines résistantes aux oscillations qui grace à leur couche superficielle borurée, présentent à température ambiante, une dureté d'environ 2000 HV et sont également très résistantes à l'usure et à la corrosion aux températures plus élevées, par exemple 4000C. Le procédé selon l'invention convient en particulier pour la fabrication de pièces de moteur à explosion à haut facteur de charge, comme des t8tes de piston avec des surfaces boruréesen totalité ou seulement dans les zones de gorge des segments de piston et de fonds de piston, ou des supports de segment avec des surfaces borurées en totalité ou seulement dans les zones de gorge des segments. En outre le procédé selon l'invention convient pour la fabrication de têtes de cylindre et de chemises avec des surfaces borurées du coté de la chambre de combustion. On peut également utiliser le procédé selon l'invention pour fabriquer des vilebrequins, des arbres à came ou des disques dont tout ou partie de la surface doit être borurée. On peut également fabriquer des pignons pourmécanismes d'entratnement qui peuvent présenter au moins dans la zone d'engrènement une couche superficielle borurée. Le procédé selon l'invention peut servir à la fabrication de chemises à surfaces cylindriques borurées. L'utilisation du procédé selon l'invention n'est pas limitée à la fabrication des pièces mécaniques citées ci-dessus mais s'étend àux autres pièces mécaniques qui doivent satisfaire aux contraintes du même type. REVENDICATIONS 1)- Procédé de fabrication de pièces mécaniques à haut facteur de charge, en particulier de pièces mécaniques de moteur à explosion, présentant une âme résistante et très solide ainsi qu'une couche superficielle dure et résistante à l'usure et à la corrosion même aux températures élevées de fonctionnement, ledit procédé étant caractérisé par les étapes suivantes:: a)- on fabrique tout d'abord lesdites pièces à partir d'un matériau de base, à savoir à partir d'un acier microallié, pauvre en carbone qui présente une teneur de jusqu'à environ 0,2% en poids de vanadium comme générateur de carbure ou de carbonitrure, b)- on les soumet ensuite à un procédé de boruration au cours duquel, à une température correspondant à la température de mise en solution du vanadium au dessus de la température de transformation du matériau de base en phase, d'environ 860-10000C, le vanadium d'une part se met en solution dans la phase X se trouvant dans le matériau de base et, d'autre part le bore, ayant diffusé à l'intérieur de la surface des pièces mécaniques, forme une couche superficielle de Fe2B de plusieurs dixièmes de millimètres d'épaisseur, et, c)- on les soumet enfin à une étape de refroidissement selon une vitesse de refroidissement d'environ 10 à 300C par minute, pour éviter l'apparition de fissure dans la couche superficielle borurée et il en résulte une structure de perlite à grains fins dans le matériau de base ainsi qu'une trempe par durcissement structural procurant une âme de pièce mécanique résistante à solidité élevée. 2)- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces mécaniques sont obtenues à partir d'un acier générateur de grains fins qui contient, en plus du vanadium comme générateur de carbure ou carbonitrure comme base du fer, moins de 0,4% en poids de carbone ainsi que des additifs usuels d'alliage, notamment jusqu'à 3% en poids de manganèse pour augmenter la solidité, moins de 0,6% en poids de silicium, ainsi que d'autres additifs d'alliage comme le molybdène, le nickel, le cuivre et éventuellement le chrome, à raison pour chacun de ces derniers additifs,d'une teneur comprise entre 0 et 0,5% en poids. 3)- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'acier comporte en plus du vanadium du niobium comme autre générateur de grains fins suivant une teneur en poids inférieure à celle du valadium. 4)- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé est utilisé pour la fabrication de têtes de piston de moteur à explosion dont la surface est en totalité borurée ou est seulement borurée dans la zone des gorges de segments et du fond de piston 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé est utilisé pour la fabrication de supports de segment pour piston de moteur à explosion avec une surface borurée en totalité -ou seulement dans la zone des gorges de segment. 6)- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé est utilisé pour. la fabrication de têtes de cylindre de moteur à explosion avec des surfaces borurées du côté de la chambre de combustion. 7)- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé est utilisé pour la fabrication de chemises à surfaces cylindriques borurées. 8)- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé est utilisé pour la fabrication de vilebrequins, d'arbres à came ou de disques avec une surface en totalité ou en partie borurée. 9)- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé est utilisé pour la fabrication de pignons de mécanismes d'entraînement avec au moins une couche superficielle borurée dans la zone d'engrènement.