Brevet FR2528875A1 — publié le 19831223

La présente invention est relative aux procédés de traitement thermique de métaux et, plus précisément, à un procédé de nitruration de produits métalliques dans un milieu gazeux contenant de 1 t azote. L'invention peut être utilisée avec le plus de succès pour le traitement local de surfaces fonctionnelles pré sentes en général par des pièces de grandes dimensions. On contact un procédé de nitruration de produits métalliques, au plasma de décharge luminescente (voir ltou- vrage "Azotirovanie stali" de Ju.M.Lakhtin et Ya.D.Kogan, M., Mashinostroenie, 1976, p.140). Le procédé en question réside en ce que la pièce à traiter est placée dans un volume fermé contenant de l'azote sous une dépression allant de (1,33 à 13,3).10 Pa. La cathode (produit) et l'anode (corps du four) sont mises sous une tension dont la valeur est réglable dans les limites de 400 à 1 ooe V. La valeur de la tension applique est fonction de la fc @ @@ @@@ @@@@sions de la pièce à traiter. Les ions du gaz bombardent la surface de la pièce et chauffent cette surface à une température qui peut varier dans les limites de 470 à 580 OC. Tout le processus de nitruration dure de quelques dizaines de minutes jusqu'à 24 heures. Le procédé considéré permet d'obtenir, par exemple sur un acier comportant du chrome, du molybdène et de l'alu- minium, une couche cémentée contenant de l'azote, épaisse de 0,4 mm et de conférer à cette couche une dureté HVg de 950 en 5 heures. Durant le meme temps, on peut nitrurer un acier comportant du chrome de manière à obtenir une couche cémentée épaisse: de 0,45 à 0,6 mm, sa partie efficace étant épaisse de 0,22 à 0,3 mm et a une dureté superficielle HV5 de 500-550. I1 ressort de ce qui précède que le procédé en question permet de régler le processus de nitruration en vue dtob- tenir une couche cémentée à composition et à structure prédé terminées. Le procédé connu est long (l'opération continue jusqu'à 24 heures), présente un caractère discontinu, du fait que le traitement des pieces est opéré sous vide dans un volume fermé, et, technologïquement parlant, est compliqué, car on est tenu d'opérer sous vide dans une marge étroite entrati,33 et 13,3).102 Pa. I1 s'ensuit que, si la pression de gaz dépas- se 1,33 KPa, la décharge luminescente devient moins stable de manière à prendre la forme d'une décharge drain. On assiste alors à une surchauffe et mème à la fusion superficielle de la pièce en traitement.Lorsque la pression est inférieure a 1 mm Hg, l'énergie des atomes et des ions de azote est ins d fi- sante pour qutil se produise le chauffage de la surface a' nitrurer. Du fait que la pièce doit être enfermée complètement dans le volume opératoire du four, alors que le traitement ne porte que sur une partie bien déterminée de cette pièce, on est conduit à recourir à des pâtes spéciales métallisées, des écrans, des revetements galvaniques ou d'autres moyens servant à protéger les surfaces non destinées à la nitruration. Pour conférer aux produits la résistance et la dureté superficielle voulues en opérant selon le procédé connu, on conduit le processus pendant un temps prolongé (Jusqutà 24 h). Cependant ce traitement, bien qu'il soit aussi long, ne permet pas d'obtenir chaque-fois les propriétés recherchées. Pour réduire la durée de traitement on pourrait opérer à une température plus élevée, cependant les régines du procédé considéré 51 opposent à ce perfectionnement. Ltinvention vise donc à remédier aux inconvénients susmentionnés. On se propose pour tache de mettre au point un procédé de nitruration de produits métalliques qui permettrait de réduire la durée de traitement de ces produits tout en contribuant à l'augmentation de leur dureté superficielle et de leur résistance, ces avantages étant obtenus grâce à une nette augmentation de la température des surfaces à nitrurer. Le problème posé est résolu à l'aide d'un procédé de nitruration de produits métalliques, du type consistant à opérer à l'aide d'un plasma contenant de l'azote, caractérisé en ce que le traitement est opéré à l'aide d'un jet de plasma azoté à une température moyenne massique de 6 oeo K, la pression du jet exercée sur la surface à nitrurer étant de (0,03 à 1).105 N/mȇt la surface en question étant balayée par le jet à une vitesse allant de 1.10 å a 20.10 m/s. Le processus de nitruration de la surface des produits métalliques se produit grâce à la formation, dans le jet de plasma à température moyenne de la masse d'au moins 6 000 K, d!une phase gazeuse active, en l'occurrence, de l'azote ionisé et dissocié, qui se caractérise par une énergie importante et une activité chimique. En augmentant la température du jet de plasma on assiste à l'accroissement de la quantité d'azote élémentaire et ionisé et, en même temps, à l'accroissement de l'é- nergie des ions et des atomes. Ces derniers entrent en contact avec la surface à nitrurer et chauffent celle-ci å une vitesse allant de 600 à 1 000 C/s. En présence d'un chauffage rapide de la surface métallique, on assiste à la fragmentation de la phase austénitique à haute température de sorte qu'un grand nombre de défauts de structure y apparaissent. I1 en résulte une surface bien développée présentant une activité chimique élevée. Le contact entre la phase gazeuse active de l'azote élémentaire et ionisé et la surface métallique développée, dû aux régimes du procédé revendiqué, contribue à une saturation rapide et intense de cette surface par l'azote. Ainsi traités, les produits métalliques présentent une dureté superficielle et une solidité élevées. Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre à l'aide d'un plasmotron à l'arc électrique à action indirecte, ou un gaz azoté est chauffé de sorte que le jet de plasma présente une température moyenne de la masse d'au moins 6 000 K. A cet effet on peut recourir à des plasmotrons à haute fréquence et à hyperfréquence. Porté à cette température, le jet de plasma devient une source d'azote élémentaire et ionisé en quantité suffisante. En augmentant la température en question, on assiste à.un accroissement de la quantité d'azote ionisé ce qui contribue à améliorer les conditions dans lesquelles se produit la nitruration. Le jet de plasma formé de l'azote élémentaire et ionisé s'écoule a partir de la buse du plasmotron et est projeté contre la surface à nitrurer, en fonction de la forme et des d4nensions de la surface à nitrurer.Le jet ae plasma rencontre la surface a nitrure sous une incidence normale par rapport à cetto surface ou bien avec un angle déterminé par rapport à celle-ci. (Par exemple, dans le cas de surfaces planes, il est rationnel que le jet de piasna soit projeté suivant la normale, alors que pour des surfaces cylindriques il est avantageux de l'amener sous un certain angle). La pression que le jet de plasma exerce sur la surface à nitrurer, est réglée dans une plage de 0,03 à 1 x N/m2. En sortant des limites du régime susmentionné, on nuit au processus de sorte que la nitruration de la surface du produit métallique ne se produit plus du tout. Selon l'invention, la surface à nitrurer doit être balayée par le jet de plasma à une vitesse oscillant entre 1.10-3 et 20.10-2 n/s. Lorsque cette vitesse est inférieure à 1.10 m/s, on assiste à la fusion de la surface à nitrurer. Si au contraire la vitesse de balayage est supérieure à 20.10 n/s, on n1 assiste plus à la nitruration de ladite surface. En fonction des dimensions de la pièce et de l'importance de la surface à nitrurer, la durée de traitement varie de quelques secondes à plusieurs heures. Le procédé de nitruration proposé permet de cumuler l'opération de durcissement avec la trempe ultérieure de la partie de surface chauffée, ce qui permet de conférer à cette partie une dureté superficielle plus élevée. Le procédé de nitruration de produits métalliques présente le plus dtintérEt pour le traitement local de surfaces fonctionnelles de pinces ae grandes dimensions, telles que: transporteurs à vis, pistons plongeurs, etc. Pour les petites pièces, le procédé selon l'invention peut & re utilisé dans les channes de fabrication automatisées. Le procédé de nitruration conforme à l'invention permet - d'obtenir dans le jet de plasma un azote actif doué d'une énergie importante et d'une activité chimique élevée et de l'amener de manière efficace vers la surface à nitrurer - de chauffer la surface à nitrurer d'un produit métallique à une vitesse importante de sorte qu'on assiste à la fragmentation des grains formant la structure initiale du métal et à l'amélioration de leur uniformité dimensionnelle, ce qui contribue à accélérer les processus d'adsorption, de diffusion et de formation d'une couche azotée, ainsi qu'a' accroître la solidité des produits en traitement - de réduire la durée de nitruration de 5-10 fois et, en meme temps, de bénéficier d'une dureté superficielle 1,5 fois supérieure à celle offerte par le procédé connu, cela sans nuire â ltépaisseur utilisable de la couche nitrurée - d'opérer le traitement local des surfaces sans recourir à des moyens protecteurs quelconques. Ltinvention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de plusieurs exemples de réalisation donnés ci-dessous. EXEMPLE 1 Le procédé conforme à l'invention a été appliqué en vue de nitrurer la surface fonctionnelle d'une roue dentée. La roue dentée a été fabriquée à partir d'un acier dont la composition était la suivante, en rG en poids carbone 0,37 manganèse 0,50 chrome 0,80 fer le reste. Un yaz comportant de l'azote a été porté à une température de 6 000 K dans un plasmotron à l'arc électrique à action indirecte dont la buse présentait une section de pas sage de (1X2,1).10-4 m. Le jet de plasma azoté sortait de la buse du plasmotron suivant la normale à la surface à nitrurer en exerçant sur cette surface une pression de 0,03.105 N/m. La surface à nitrurer a été balayée par le jet de plasma à une vitesse de 2.10 m/s. La distance entre la buse du plasmotron et la surface a nitrurer était de 5.10 -3 m. Ainsi traitée, la surface fonctionnelle de la roue dentée a présenté une couche nitrurée épaisse de 3.10 ni ayant une dureté superficielle HV50 de 550. La résistance du produit est proportionnelle au carré de dureté (voir : D.N.Reshetov "Detali maschin". M., Mashinostroenie, 1974, p.254). 2 La durée de traitenent de 1 cm de la surface fonc- tionnelle de la roue dentée a été de 5 s. EXEMPLE 2 Le procédé conforme à l'invention a été appliqué en vue de nitrurer la surface fonctionnelle d'une roue dentée en acier dont la composition était la suivante en % en poids carbone 0,15 manganèse 0,80 fer le reste. Un gaz contenant de l'azote a été porté à la température de 8 000 K dans un plasmotron à l'arc électrique à action indirecte dont la buse présentait une section de passa ge de (1x2,1).10-4 m. Le jet de plasma azoté sortait de la buse du plasmotron suivant la normale à la surface à nitrurer en exerçant sur cette surface une pression de 0,5.105 N/m. La surface à nitrurer a été balayée par le jet de plasma à une vitesse de 5.10 m/s. La distance entre la buse du plasmotron et la sur 2 face à nitrurer était de 10.10-2 m. Ainsi traitée la surface fonctionnelle de la roue -4 dentée a présenté une couche nitrurée épaisse de 3,5.10-4 m, ayant une dureté superficielle HV50 680. 2 La durée de traitement de 1 cm de la surface ronctionnelle de la roue dentée a été de 2 s. EXEMPLE 3 Le procédé selon l'invention a été appliqué en vue de nitrurer la surface d'un échantillon plat en acier, de dimensions suivantes 15x15x10.10-2 m. L'échantillon a été obtenu à partir d'un acier dont la composition était la suivante, en S en poids carbone 0,42 manganese 0,30 chrome 1,65 fer le reste. Un gaz contenant de l'azote a été porté à la température de 10 000 K dans un plasmotron à l'arc électrique à action indirecte dont la buse présentait une section de passage de (lx2,1).10-4 m. Le jet de plasma azoté sortait de la buse du plasmotron suivant la normale à la surface à nitrurer en exerçant sur cette surface une pression de 0,5.105 N/m. La surface en traitement a été balayée par le jet de plasma à une vitesse de 8.10 m/s. La distance entre la buse du plasmotron et la surface en question était de 10.10-2 m. Ainsi traitée, la surface de l'échantillon a présenté une couche nitrurée épaisse de 7.10-4, ayant une dureté superficielle HV50 1250. 2 La durée de traitement de 1 cm de la surface a été de 2 secondes. EXEMPLE 4 Le procédé conforme à l'invention a été appliqué en vue de nitrurer la surface fonctionnelle d'un transporteur à vis de forme cylindrique,de 7.10-2 m de diamètre. Le transporteur à vis a été fabriqué à partir d'un acier dont la composition était la suivante, en S en poids carbone 0,35 manganèse 0,30 chrome 1,85 molybdène 0,15 aluminium 0 70 fer le reste. Un gaz contenant de 1 'azote a été porté à tempéra ture de 10 000 K dans un plasnotron à l'arc électrique à action indirecte dont la buse présentait une section de passage de (1x2,1).10-4 m. de .?'; de lavra azoté sortait de la buse du plas- notron sous un anale de 30 par rapport à la surface a nitrurer en exerçant sur- cette surlace une pression de 0,3.105 N/m. La surface à nitrurer a été balayée par' jet de plasma a une vitesse de 7.10 nis. La distance entre la buse du plasmotron et la surface en traitement était de 5.10-3m. On a ensuite trempé le transporteur cN vis. A cet effet, la pièce chaude a été refroidie avec de l'eau à une température de 100-150 C. Ainsi traitée, la surface fonctionnelle du transporteur à vis a présenté une couche nitrurée épaisse de 9.10 m, ayant une dureté superficielle HV501450. La durée de traitement de 1 cm2 de la surface a été de 1,5 seconde. EXEMPLE 5 Le procédé conforme à l'invention a été appliqué en vue de nitrurer la surface fonctionnelle d'un transporteur a vis de forme cylindrique, de 7.10-2 m de diamètre. Le transporteur à vis a été fabriqué a' partir d'un acier dont la compositipn était la suivante, en % en poids carbone 0,35 manganèse 0,30 chrome 1,35 molybdène 0,15 aluminium 0,70 fer le reste. Un oaz contenant de l'azote a été porté à température de 10 c300 dans un plasmotron à l'arc électrIque à action indirecte dont la buse présentait une section de passage de (1.2,1).10-4 m. Le jet de plasma azoté sortait de la buse du plasmotron sous un angle de 300 par rapport à la surface à nitrurer en exerçant sur cette surface une pression de 1.105 N/m. La suriace à nitrurer a été balayée par le jet de plasma à une vitesse de 5.10 m/s. La distance entre la buse du plasmotron et la surface en traitement était de 10.10-3 m. Ainsi traitée, la surface fonctiounelle du transpor- teur à vis a présenté une couche nitrurée épaisse de 1.10 m, ayant une dureté superficielle HV50750. 2 La durée de traitement de 1 cm de la surface a été de 2 secondes. EXEMPLE 6 Le procédé conforme à l'invention a été appliqué en vue de nitrurer la surface fonctionnelle d'une roue dentée en acier. La composition de acier était la suivante, en% en poids carbone 0,45 manganèse 0,80 chrome 1,10 fer le reste. Un gaz contenant de l'azote a été porté à température de 6 000 K dans un plasmotron à l'arc électrique à action indirecte dont la buse présentait une section de passage 4 2 de (1.2,1).10-4 m. Le jet de plasma azoté sortait de la buse du plasmotron suivant la normale à la surface à nitrurer en exerçant une pression de 1.10 N/m sur cette surface. La surface à nitrurer a été balayée par le jet de plasma à une vitesse de 0,1.10-3 m/s. La distance entre la buse du plasmotron et la surface à nitrurer était de 5.103 m. Ainsi traitée, la surface fonctionnelle de la roue dentée a présenté une couche nitrurée épaisse de 1.10-5 m, ayant une dureté superficielle HVso 550. 2 La durée de traitement de 1 cm de la surface de la roue a été de 10 s. EXEMPLE 7 Le procédé conforme à l'invention a été appliqué en ue de nitrurer la surface fonctionnelle d'une roue dentée. La roue dentée en question a été fabriquée à partir d'un acier dont la composition était la suivante, en en poids carbone 0,45 manganèse 0,0 chrone 1,10 fer le reste. Un gaz contenant de l'azote a été porté à tenpéra- ture de 10 000 K dans un plasmotron à l'arc électrique a action indirecte dont la buse présentait une section de passage 4 2 de (1.2,1).10-4 m. Le jet de plasma azoté sortait de la buse du plasmotron suivant la normale à la surface à nitrurer en exerçant sur cette surface une pression de 0,1.105 N/m. La surface en traitement a été balayée par le jet de plasma à une vitesse de 6.10 m/s. La distance entre la buse du plasmotron et la surface en traitement était de ni. m. m. On a ensuite procédé à la trempe de la roue dentée. A cet effet, la pièce chaude a été refroidie avec de l'eau jus qu'a' une température de 100-150 C. Alnsi traitée, la surface fonctionnelle de la roue dentée a présenté une couche nitrurée épaisse de 65.10 m, ayant une dureté superficielle Wr50 960. o La durée de traitement de 1 cm de la surface fonctionnelle de la roue dentée a été de 2s. Eien entendu, l'invention ntest nullenent limitée aux exemples de réalisation décrits. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons à condition que celles-ci soient exécutées suivant son esprit et mise en oeuvre dans le cadre de la revendication qui suit. R E V E N D I C A T I O N Procédé de nitruration de produits métalliques, du type consistant à opérer à l'aide d'un plasma contenant de l'azote, caractérisé en ce que le traitement est réalisé à l'aide d'un jet de plasma azoté à température moyenne de la masse d'au moins 6 000 K, la pression du jet exercée sur la surface à nitrurer étant de (0,03 à l).l05 N/m et la surfa- ce en question étant balayée par le jet de plasma à une vites- se allant de 1.10-3 à 20.10-2 m/s.