Brevet FR2525638A1 — publié le 19831028

L'invention concerne le traitement de la surface ou la "dureté superficielle" de pièces d'acier L'inven- tion a plus particulièrement pour objet d'établir la qualité de dureté superficielle et la résistance associée de surfaces d'appui en acier à l'abrasion par usure et à la déformation. De faibles duretés de surface et la mauvaise résistance à l'usure qui en résulte proviennent princi- palement des procédés utilisés dans la fabrication des surfaces d'appui en acier de l'art antérieur, et en par- ticulier des surfaces de tourillons tels que ceux utilisés dans des croisillons de joints universels De tels éléments sont classiquement réalisés à partir de pièces d'acier forgées, qu'il est courant de soumettre à un traitement thermique avant toutes les opérations de rectification ou autres opérations d'enlèvement de métal Il est connu que de telles opérations de rectification, de polissage ou autres opérations d'usinage de finition enlèvent, au moins en partie, plusieurs centièmes de millimètre de la surface durcie résultant du traitement thermique et des opérations ultérieures de trempe En fait, l'effet de telles opérations d'usinage ou d'enlève- ment de matières postérieures au traitement thermique est d'éliminer toute austénite retenue dans de telles surfaces cémentées L'austénite retenue a été considérée comme indésirable en raison de sa tendance à être aisément transformée en martensite non revenue dans des conditions d'écrouissage, ou même lors de la flexion des pièces dans des conditions de températures extrêmement basses On considère généralement dans l'industrie que la martensite non revenue doit être évitée à tout prix, car elle est associée à des variations de dimensions des pièces finies, ainsi qu'à la fragilité et à une fissuration associée. Les tourillons de l'art antérieur sont donc soumis à des étapes de rectification après des opérations de traitement thermique et de trempe afin d'éliminer des parties importantes des couches cémentées ne contenant généralement que de O à 5 % d'austénite retenue Le fait d'éliminer systématiquement pratiquement toute martensite non revenue du produit final a donc pour résultat des surfaces d'appui présentant des duretés superficielles inférieures à celles souhaitables, ainsi que des résis- tances correspondantes à l'abrasion et à la déformation relativement plus faibles. L'invention concerne un procédé de cémentation de surfaces d'appui de pièces d'acier, donnant aux sur- faces des résistances à l'abrasion et à la déformation sensiblement améliorées Les surfaces sont de préférence obtenues par usinage, carburation, trempe, revenu et écrouissage, de manière qu'un pourcentage relativement élevé de l'austénite résultant de la carburation soit retenu par la trempe Un pourcentage important de l'aus- ténite retenue est transformé ensuite volontairement en mar- tensite non revenue lors de l'étape d'écrouissage. Une forme préférée du procédé comprend les étapes qui consistent: ( 1) à achever toutes les opérations d'usinage, de rectification et opérations similaires d'enlèvement de métal; transformer une partie de l'austénite retenue en marten- site non revenue, ce qui a pour résultat-de donner à l'épaisseur de la cémentation une composition comprenant au moins 5 à 20 % de martensite non revenue. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure unique est une vue en plan d'un croi- sillon de joint trempé selon une forme préférée du procédé de l'invention. L'invention concerne donc la cémentation de surfaces d'appui de pièces en acier, par exemple les sur- faces des tourillons 12 d'un croisillon 10 de joint uni- versel tel que représenté sur la figure unique Les tou- rillons 12, qui dépassent radialement du corps central 14, sont montés chacun de-façon à être en contact de roulement avec des paliers à aiguilles (non représentés) De telles surfaces doivent idéalement avoir une haute résistance à l'abrasion et à la déformation, tout en possédant une solidité suffisante pour résister à la fatigue due au contact de roulement. Le procédé comprend cinq opérations fondamentales, et le tableau ci-dessous indique un cycle préféré d'opéra- tions effectuées dans la mise en oeuvre de l'invention. Les valeurs indiquées s'appliquent à un acier de type SAE 8617. Etape 1 Etape 2 Usinage Tournage de dégrossis- sage Rectification ou autre usinage de finition Carburation Température s 845-950 C Durée: 3-6 h Epaisseur utile de cémen- tation: au moins 0,25 mm Concentration de carbone superficiel: 0,9 à 1,3 % Dureté superficielle (Rockwell C): Compositions Austénite retenue: Martensite revenue: Martensite non revenue Trempe directe Température: 815-900 C Milieu de trempe: huile à 25-550 C Durde: 3-7 minutes 63-67 -30 % 0 % -90 % Revenu Température -205 C Durée: 1 heure à 1 heure et demie 59-64 -30 % -90 % 0 % Ecrouissage Technique: grenaillage Matière: ASTM 390: grenaillage d'acier trempé Intensité: hauteur de l'arc de la bande "A" "Almen": 0,41 à 0,66 mm 59-68 -10 % -90 % -20 % J: r O t Ln U 4 os Etape 3 Etape 4 Etape 5 Tout d'abord, les tourillons 12 de l'élément 10 sont totalement usinés Une caractéristique importante de l'invention est que toutes les opérations d'usinage s'effec- tuent lors d'une phase initiale, de sorte que l'on évite tout enlèvement, par usinage, de matières de la surface cémentée obtenue Comme indiqué dans le tableau, le croi- sillon 10 est donc d'abord soumis à un usinage initial qui comprend un usinage de dégrossissage, tel qu'une opération de tournage, suivi immédiatement de toutes les opérations de finition par enlèvement de métal telles que la recti- fication à la dimension et aux tolérances finales, comme demandé ou si demandé Le croisillon 10 est de préférence unç pièce estampée ou forgée, et les tourillons 12 sont ensuite usinés aux tolérances finales afin de se comporter convenablement en service avec le palier à contact de roulement. L'élément 10 est ensuite carburé à une tempéra- ture de l'ordre de 845 à 950 'C Cette opération s'effectue pendant 3 à 6 heures danis le mode préféré du procédé de l'invention Le four de carburation peut être, par exemple, du type "pousseur continu", dans lequel un gaz endothermi- que peut être utilisé comme support pour la production d'un milieu contrôlé permettant d'obtenir un potentiel de carbone élevé Le support est de préférence enrichi d'un gaz hydrocarboné, par exemple du méthane gazeux, ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art La concentration préférée de carbone superficiel est de l'ordre de 0,9 à 1,3 % Dans les conditions précitées, cette concentration assure une profondeur ou épaisseur de cémentation, soumise à la pénétration du carbone, d'au moins 0,25 mm Il con- vient de noter que ces conditions ont pour résultat, dans certaines parties des surfaces affectées, des profondeurs de cémentation pouvant atteindre 1,25 mm L'objet de l'opération de carburation est d'assurer la retenue d'une quantité substantielle d'austénite dans la surface cémentée de l'élément 10. Suivant la teneur en carbone de l'acier et ainsi qu'il est évident au spécialiste du traitement thermique des aciers, la phase austénitique de l'acier est atteinte à 7220 C pour la composition eutectoide de 0,80 % de car- bone, et à des températures plus élevées pour toute autre valeur de pourcentage de carbone Il convient de noter que de toutes les phases de l'acier, la phase constituée d'austénite possède la plus grande affinité pour les ato- mes de carbone, encore que seulement environ 2 % de car- bone puissent être absorbés dans l'acier dans des condi- tions idéales Après la carburation, si l'acier est refroi- di lentement, les atomes de carbone sortent en migrant de la structure cristalline de l'austénite, et la compo- sition dégénère en une structure cassante indésirable telle que de la "cémentite" Ainsi, une trempe rapide est utilisée pour provoquer un "figeage" de la structure austénitique avant que les atomes de carbone puissent migrer Le résultat est avantageusement une phase ayant une structure cristalline plus résistante, donc plus souhaitable, aux basses températures, par exemple de la martensite qui est beaucoup plus stable aux températures inférieures que l' austénite, bien que différant seulement légèrement de cette dernière par les propriétés métallur- giques. Contrairement à la présente invention dans laquelle on tente de retenir la plus grande quantité possible d'austénite martensite résultante) pour des raisons visant principale- ment à éviter de rendre les pièces fragiles et sujettes à la fissuration En conséquence, les techniques de l'art antérieur utilisent une concentration de carbone de l'ordre de seulement 0,8 à 1,0 % pour minimiser la quan- tité d'austénite retenue Cependant, la présente inven- tion limite les problèmes de l'art antérieur en soumettant l'élément 10 à un revenu après la trempe afin de réduire la quantité trop grande et gênante de martensite non reve- nue produite par l'opération de trempe, comme décrit plus en détail ci-après. En se référant au tableau, pour que la carbura- tion puisse être réalisée, l'élément 10 doit être réalisé en un acier de qualité permettant la carburation Il est évident que plus la teneur en carbone de l'acier est faible, plus l'élément sera facilement saturé en une période de temps relativement courte Par exemple, un acier au nickelchrome à faible teneur en carbone, tel que l'acier SAE 8617, atteint une concentration de carbone de 0,9 à 1,3, à une profondeur minimale de cémentation d'au moins 0,25 mm, à 9000 C, au bout de 3 à 6 heures Un acier SAE 8610, de composition identique, sauf une teneur en carbone plus faible, absorbe le carbone plus facilement dans les mêmes conditions, tandis qu'un acier SAE 8620, ayant une plus forte teneur en carbone, absorbe propor- tionnellement moins de carbone (l'acier SAE 8617 possède une teneur en carbone de 0,17 %). Lorsque l'élément 10 est retiré du four de carburation, après une légère chute de température admise jusqu'à une valeur de l'ordre de 815 à 9000 C, l'élément est trempé directement* dans l'huile qui est maintenue à une température de 25 à 55 'C, pendant 3 à 7 minutes. Une trempe directe est plus souhaitable qu'une trempe indirecte dans le procédé préféré, car une trempe indirecte a pour résultat une plus faible quantité d'austénite rete- nue Une opération de trempe indirecte, telle qu'une "trempe étagée bainitiquel (plus fréquemment utilisée dans le cas d'aciers à haute teneur en carbone), comprend une trempe, puis un réchauffage de l'élément trempé à une température légèrement inférieure à la phase austênitique, puis un refroidissement plus lent pour permettre à l'austénite de se transformer en bainite, une phase ferritique plus tendre ayant des caractéristiques maléables ne convenant pas aux surfaces d'appui, ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art. Comme indiqué dans le tableau, la trempe directe à l'huile a pour résultat un pourcentage d'austénite rete- nue compris entre environ 10 et 30, et une dureté Rockwell C de l'ordre de 63 à 67 de la surface cémentée de l'élément Il convient de noter qu'une opération de trempe à l'huile permet d'allonger sensiblement le temps de la trempe par rapport à une opération de trempe à l'eau dans laquelle les températures élevées tendent à soumettre davantage la surface de l'élément à la fissuration lors du refroidissement rapide se produisant au cours d'une telle trempe. On procède ensuite à une opération de revenu qui comprend une étape de réchauffage destinée à éliminer les contraintes superficielles de traction indésirables et relativement importantes, résultant de l'opération de trempe directe Ainsi, l'élément 10 est réchauffé et maintenu pendant environ 1 heure et demie à une tempéra- ture constante de l'ordre de 150 à 2050 C Pendant ce temps, la dureté Rockwell C diminue pour passer d'une valeur comprise entre 63 et 67 à une valeur comprise entre 59 et 64 Bien qu'une dureté Rockwell C relativement aisée soit obtenue à la suite de la trempe, la quantité de martensite non revenue ( 70 à 90 %, voir le tableau) est extrêmement élevée} ce qui n'est pas satisfaisant, comme indiqué précédemment, et il pourrait en résulter des problèmes dus à la fatigue et à la fragilité Un tel pourcentage élevé de martensite non revenue doit donc être sensiblement réduit pour améliorer la résistance de la pièce et pour éviter la fragilité De plus, étant donné que la trempe à l'huile a également pour résultat une répar- tition inégale de la dureté sur la surface, l'étape de revenu donne en outre à la surface une dureté plus uni- forme. Après le revenu, la dernière opération consiste en un écrouissage à la profondeur de cémentation L'opé- ration d'écrouissage permet le maintien d'une quantité de martensite non revenue plus faible et plus souhaitable dans la surface de la pièce Il est évident à l'homme de l'art que seule l'austénite retenue est capable de se transformer en martensite non revenue sous l'effet d'un écrouissage Ceci est dû au fait qu'une fois transformée pendant l'étape de revenu, la martensite revenue ne peut revenir à l'état de martensite non revenue sous l'effet d'un écrouissage Par conséquent, l'austénite retenue constitue la seule source de martensite non revenue exis- tant après la trempe et le revenu - L'opération actuellement préférée d'écrouissage s'effectue par grenaillage, par exemple par l'utilisation d'une grenaille d'acier trempé conforme à la norme ASTM 390 L'opération de grenaillage transforme une partie substantielle de l'austénite retenue résiduelle en mar- tensite non revenue, ce qui donne une composition compor- tant 5 à 20 % de martensite non revenue dans une profon- deur utile de cémentation d'au moins 0,25 mm et atteignant une dureté Rockwell C de 59 à 68 Pour atteindre ce niveau de dureté, il faut que le grenaillage possède une intensité suffisante pour produire une hauteur d'arc 'A", à la bande d'essai Almen, de 0,41 à 0,66 mm, ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art. Il convient en outre de noter qu'un avantage supplémentaire de l'écrouissage effectué à la profondeur de cémentation est-le fait que des contraintes de compres- sion sont engendrées dans la surface, ce qui améliore également de façon naturelle la résistance à la fatigue de la pièce Les Contraintes résultent du fait que la structure cristalline de la martensite non revenue est légèrement plus grande que celle de l'austénite Ainsi, il se produit une légère expansion de la profondeur de cémentation superficielle lorsqu'une partie substantielle de l'austénite retenue est transformée en martensite non revenue par l'opération de grenaillage L'association de la plus grande dureté superficielle et des contraintes superficielles de compression permet d'obtenir une sur- face d'appui améliorée pouvant être utilisée dans des milieux à contact de roulement sous effort important, par exemple ceux auxquels les tourillons 12 sont soumis. D'autres avantages résultent également de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention tel que décrit ci-dessus, bien qu'il ne soit pas tout à fait évident. Par exemple, la concentration plus élevée en carbone tel * 10 qu'utilisé dans le procédé selon l'invention semble être à l'origine d'un faible pourcentage de carbures dans la surface cémentée, ce qui contribue également à améliorer la résistance à l'usure de l'élément 10. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, le pro- cédé doit également être appliqué à d'autres organes de palier, tels que la bague intérieure d'un chapeau de palier de joint universel tel que celui utilisé pour supporter le tourillon, ou même les portées d'arbres d'essieu et autres. 1 1 REVENDICAT IONS 1 Procédé pour former une surface cémentée sur une pièce ( 10) en acier réalisée en acier de qualité per- mettant une carburation, ladite surface contenant 10 à 30 % d'austénite, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre la surface à un écrouissage pour transformer l'austénite en au moins 5 à 20 % de mar- tensite non revenue. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que toutes les opérations d'enlèvement de métal effectuées sur la surface, y compris des opérations d'usi- nage de finition, sont achevées avant l'étape de carbura- tion. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de carburation est conduite à une tempé- rature comprise entre 845 et 950 'C. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de carburation est conduite pendant une durée de 3 à 6 heures, la concentration en carbone attei- gnant une profondeur de cémentation d'au moins 0,25 mm. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape de trempe est effectuée lorsque la pièce est à une température d'au moins 815 'C, ladite pièce étant maintenue dans de l'huile pendant 5 minutes et cette huile ayant une température de l'ordre de 25 à 55 OC. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape de revenu s'effectue à une température de l'ordre de 150 à 2051 C pendant une durée de l'ordre de 1 heure à 1 heure et demie. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape d'écrouissage est réalisée par grenail- lage. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le grenaillage est effectué avec de la grenaille d'acier trempé. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de trempe produit une surface cémentée composée de 70 à 90 % de martensite non revenue et de 10 à 30 % d'austénite retenue. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, après l'étape d'écrouissage, la surface cémentée comprend en composition 70 à 90 % de martensite revenue, et 5 à 20 % de martensite non revenue, jusqu'à une profon- deur atteignant 0,25 mm. 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la concentration en carbone de la surface est obtenue au moyen d'un four à gaz de carburation dans lequel un gaz support endothermique est enrichi par un gaz hydro- carboné, afin que le potentiel de carbone soit obtenu. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les opérations d'usinage comprennent une étape de tournage de dégrossissage et une étape d'usinage de finition. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la surface cémentée présente une dureté d'une valeur représentée par une hauteur d'arc "A' de la bande d'essai Almen de 0,41 à 0,66 mm. 14 Procédé pour former une surface cémentée sur une pièce ( 10) d'acier réalisée en acier de qualité per- mettant une carburation, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à carburer ladite surface jus- qu'à ce qu'elle atteigne une concentration de carbone de l'ordre de 0,9 à 1,3 %, à soumettre ladite surface à une trempe directe dans l'huile par des moyens ayant pour résultat la retenue de 10 à 30 % d'austénite dans ladite surface, à soumettre la surface à un revenu d'une certaine durée, dans un four à atmosphère et température contrôlées, et à écrouir la surface pour transformer l'austénite retenue en au moins 5 à 20 % de martensite non revenue et pour induire des contraintes de compression dans la surface cémentée.