Brevet FR2507212A1 — publié le 19821210

I La présente invention, concernant la métallurgie de l'acier, est plus spécifiquement relative à un tube d'acier et, plus particulièrement encore, à un tube présentant un diamètre extérieur relativement petit et une paroi assez épaisse, avec une surface durcie sur au moins l'une de ses surfaces L'invention est également relative à un procédé pour fabriquer un tel tube Un tube d'acier de ce genre comporte typiquement un diamètre extérieur de 6,0 à 15,0 mm par exemple et une épaisseur de paroi de 2,2 à 5,5 mm par exemple et on l'utilise pour constituer les tuyaux d'injection de carburant sous forte pression de moteurs diesel. Habituellement on fabrique par exemple des tuyaux d'injection de carburant sous pression élevée pour des moteurs diesel en chauffant et en étirant, de façon répétée, des barres tubulaires en acier au carbone jusqu'à obtenir les dimensions voulues Un tuyau d'in- jection de carburant sous pression élevée, du type spécifié dans la norme japonaise, SAE J 970 a (Essai des systèmes d'injection de carburant diesel) et SAE J 521 b (Raccords tubulaires d'injection de carburant), témoi- gne de propriétés mécaniques sensiblement uniformes dans toute son épaisseur de paroi finale, c'est-à-dire ayant une dureté Hv par exemple de 110 à 120, une limite élastique de 264 à 294 M Pa par exemple et une résistance à la traction de 333 à 362 M Pa par exemple. Comme une pression élevée du fluide règne dans le tuyau et que celle-ci varie fréquemment et comme le tuyau est soumis à une forte vibration, sa surface interne risque de devenir irrégulière à cause d'une érosion par cavitation En outre les tuyaux classiques tendent à avoir une résistance à la fatigue peu satisfaisante et ils risquent souvent de se fendre ou de se briser lors- qu'ils sont soumis à des vibrations répétées. C'est pourquoi on a proposé de former une couche durcie sur la surface interne du tube par une nitruration gazeuse douce ou par cémentation ou par d'autres moyens Néanmoins, il est difficile de remplir par un gaz, de façon uniforme, un tube ayant un faible diamètre interne sur toute sa longueur, ce qui fait que la couche durcie tend à manquer d'uniformité. Un objet de l'invention consiste à réaliser un tube d'acier amélioré présentant un faible diamètre extérieur et une grande épaisseur de paroi, avec une couche durcie sur au moins l'une de ses surfaces. La présente invention concerne un tube d'acier présentant un petit diamètre extérieur et une grosse épaisseur de paroi, le tube présentant, sur l'une de ses surfaces au moins, une couche durcie formée par diffusion qui inclut une solution solide d'azote et qui est exempte de composés intermétalliques, c'est-à-dire de Fe 3 N et Fe 4 N Une couche de diffusion incluant une solution solide d'azote est formée sur la paroi intérieure au moins d'un tube d'acier par traitement dans un bain de cyanure de sodium fondu tout en faisant vibrer le tube dans le sens axial Puis le tube est chauffé dans une atmosphère gazeuse, ce qui fait que tout composé intermétallique est décomposé et éliminé de la couche de diffusion, laquelle devient une couche durcie. On décrira maintenant, à titre d'exemple, des modes de réalisation de la présente invention, avec référence au dessin ci-annexé sur lequel: La figure 1 est une coupe transversale agrandie d'un tube d'acier ayant une couche durcie sur sa surface interne. La figure 2, une vue semblable à celle de la figure 1, mais illustrant un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 5, une microphotographie à un grossis- sement de 200, montrant une section transversale de la surface interne du tube représenté sur la figure 1 après traitement. La figure 4 est une microphotographie semblable à celle de la figure 3, mais montrant la section trans- versale de la surface interne après le traitement thermique. la figure 1 montre un tube d'acier 1 ayant une couche durcie 5 à sa surface interne 3 Eh vue de fabriquer le tube représenté sur la figure 1, la sur- face externe 2 du tube est d'abord traitée pour résister à la nitruration (antinitruration), par exemple grâce à un placage de nickel de la surface externe 2 ou à un traitement analogue, et le tube est ensuite immergé dans un bain de cyanure de sodium fondu à une température de 570 à 580 O et, pendant son immersion, le tube est soumis à une vibration dans le sens axial Ce traitement forme, sur la surface interne 3 du tube, une couche de diffusion 4 comportant une solution solide d'azote La figure 3 est une micro- photographie de la section transversale, après traitement, de la surface interne du tube dans la région délimitée par un rectangle sur la figure 1. Le tube 1 est ensuite chauffé dans une atmosphère gazeuse, par exemple d'azote, à une température de 600 à 75010, ce qui fait qu'une couche fragile d'un composé intermétallique tel que e 3 N ou fee, formé sur la couche de diffusion 4 pendant le traitement, est décomposée et éliminée De cette façon la couche de diffusion 4 devient une couche durcie 5 présentant une dureté Ky de 200 à 260 par exemple La figure 4 est une microphotographie de la section transversale de la surface interne après le traitement thermique du tube, dans la mime région que celle représentée sur la figure 3. La figure 2 montre un tube d'acier 1 comportant des couches durcies 5 et 5 ' sur ses deux surfaces, interne et externe, 3 et 2 Les couches durcies 5 et ' sont obtenues par un procédé semblable à celui qui a été décrit cidessus, saut qu'on n'applique pas de traitement antinitrurant à la surface de la paroi extérieure 2 du tube Des couches de diffusion 4 et 4 ' sont formées à la fois sur la surface interne 3 et sur la surface externe 2 et deviennent les couches durcies 5 et 5 ' respectives. La vibration axiale impartie au tube au cours du traitement facilite le remplissage de l'alésage du tube de faible diamètre par du cyanure de sodium fondu sur toute sa longueur, de sorte qu'une couche de diffusion uniforme peut Otre formée sur la surface interne du tube au moins de façon à le protéger en service contre l'érosion par un fluide qui le traverse. Le traitement thermique ultérieur procure, au moins sur la surface interne du tube, une couche durcie uniforme présentant des propriétés mécaniques supérieures, c'est-à-dire une limite élastique de par exemple 343 à 392 H Pa et une résistance à la traction de par exemple 411 & 4 '71 M Pa Le tube présente une résistance & la fatigue remarquablement améliorée sans qu'il se forme de fissures dans la surface du tube, aime lorsqu'on le courbe & une forme voulue. On décrira maintenant ci-après deux exemples spécifiques selon l'invention: EXIPIPLE 1: Un tube fait d'un acier connu sous le nom de BTS 35 et présentant un diamètre extérieur de 6,2 mu, une épaisseur de paroi de 2,1 mm et une longueur de 600 mm, a été traité pendant 50 minutes dans un bain de cyanure de sodium fondu porté à la température de 570 OC, tout en le faisant vibrer dans le sens axial à une fréquence de 5 Hz avec une amplitude de 5 un au moyen d'un vibrateur fabriqué par la Demanderesse. Ensuite le tube a été traité thermiquement à 720 C dans un four rempli d'azote gazeux pendant 30 minutes. Une couche de diffusion ayant une profondeur de 0,3 mm a été formée sur chacune des surfaces du tube, interne et externe Le tube résultant présentait une dureté Hv de 240, une limite élastique de 384 M Pa et une résistance à la traction de 452 ML Pa. EXEMIPLE 2: Une pellicule antinitruration de nickel ayant une épaisseur de 5 mm a été déposé sur la surface de la paroi extérieure d'un tube d'acier STS 35 présentant un diamètre extérieur de 15,0 mm, une épaisseur de paroi de 5, 5 mm et une longueur de 1100 mmo Le tube a été traité dans un bain de cyanure de sodium fondu présentant une température de 590 C, pendant 90 minutes tout en le faisant vibrer dans le sens axial à une fréquence de 3 Hz et avec une amplitude de 2 mm au moyen du même vibrateur que celui utilisé dans l'exemple 1 Ensuite le tube a été chauffé pendant 50 minutes à 650 C dans un four rempli d'une atmosphère gazeuse constituée par un mélange de 28 % H 2, 22/o de GO et de C 02, le reste étant de l'azote Il s'ensuit qu'une couche de diffusion présentant une profondeur de 0,4 mm, une dureté Hv de 220, une limite élastique de 361 M Pa et une résistance à la traction de 428 M Pa a été formée seulement à la surface interne du tube. REVENDICATIONS 1 Tube d'acier ayant un petit diamètre exté- rieur et une grosse épaisseur de paroi, caractérisé en ce que le tube présente, sur l'une de ses surfaces, au moins une couche durcie formée par diffusion, qui est constituée d'une solution solide d'azote, et qui est exempt de composés intermétalliques, c'est-à-dire de FE N et FE 4 N 2 Tube d'acier selon revendication 1, caractérisé en ce que la couche durcie est formée seule- ment sur la surface interne du tube. 3 Tube d'acier selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche durcie a une dureté Hv de 200 à 260, une limite élastique de 343 à 392 M Pa et une résistance à la traction de 411 à 471 M Pa. 4 Procédé pour fabriquer un tube d'acier ayant un petit diamètre extérieur et une grande épaisseur de paroi, avec une couche durcie sur au moins l'une de ses surfaces, caractérisé en ce qu'il comprend les étages consistant à traiter un tube d'acier dans un bain de cyanure de sodium fondu, tandis que le tube est soumis à une vibration axiale, ce qui fait qu'une couche de diffusion incluant une solution solide d'azote est formée sur l'une des surfaces du tube au moins, et à chauffer le tube dans une atmosphère gazeuse pour décomposer tout composé intermétallique formé sur la couche de diffusion par le traitement, ce qui fait qu'une couche durcie est formée sur ladite surface. Procédé selon revendication 4, caractérisé en ce qu'un traitement d'antinitruration est appliqué sur la surface externe du tube, ce qui fait que la course durcie est formée seulement sur la surface interne du tube. 6 Procédé selon revendication 5, caractérisé en ce que le traitement d'antinitruration comprend le revête- ment de la surface externe du tube par du nickel. 7 Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse est composée d'azote, au moins principalement.