Brevet FR2626292A1 — publié le 19890728

PROCEDE DE TRAITEMENT THERMOCHIMIQUE SUPERFICIEL DE BANDES D'ACIER ET EN PARTICULIER DE BANDES DE FAIBLES EPAISSEURS ET INSTALLATION POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un procédé de traitement thermochimique superficiel de bandes d'acier et en particulier de bandes de faibles épaisseurs. Les traitements thermochimiques superficiels dans le domaine des aciers ont essentiellement pour but de réaliser une couche dure d'épaisseur variable, permettant d'augmenter les propriétés de résistance à l'usure, au frottement, ainsi que la tenue à la fatigue mécanique et, dans une certaine mesure, la résistance à la corrosion. Les nuances d'acier aptes à ces traitements sont aujourd'hui bien répertoriées. Les traitements les plus pratiqués sont l'apport de carbone par cémentation, I'apport d'azote par nitruration et l'apport de carbone et d'azote par carbonitruration. L'invention concerne plus particulièrement ce traitement de carbonitruration. Il est connu de réaliser la carbonitruration sur des pièces finies, à une température comprise entre 55û et 99rJoC. Au cours de la réaction, le carbone et l'azote à l'état atomique, préalablement obtenus à partir d'un mélange de gaz ammoniac à une atmosphère carbonée, sont transférés à la surface de l'acier et diffusent ensuite vers l'intérieur. Cette opération est classiquement réalisée sur pièces finies et comporte de nombreux inconvénients. En effet, la carbonitruration de pièces finies suivie d'une trempe entraîne des déformations qui peuvent être inacceptables dans le cas de pièces de précision. Par ailleurs, la carbonitruration de pièces plates est très difficile à réaliser de façon correcte. Enfin, pour des pièces présentant des parties intérieures masquées au cours du traitement, la couche d'imprégnation carbonitrurée de surface sera très irrégulière. La qualité du résultat obtenu n'est donc pas entièrement satisfaisante. D'autre part, ce traitement sur pièces finies impose soit une reprise en fabrication dans le cas où le fabricant dispose d'une installation complexe et coûteuse de traitement thermochimique de surface, soit un recours à la sous-traitance. Dans les deux cas, la durée d'un tel traitement discontinu est très longue et varie de trente minutes à quelques heures. La rentabilité économique ne peut être alors obtenue qu'en travaillant par quantité importante de pièces. Dans le second cas s'ajoutent encore les coûts de transport vers un site de sous-traitance. Cette durée importante de traitement de trente minutes à quelques heures qui apparaît indispensable pour les traitements thermochimiques superficiels de l'acier réalisés jusqu'à présent sur pièces finies semble donc exclure, à priori, la réalisation de traitements de ce type selon un processus continu dans lequel les phases opératoires sont nécessairement beaucoup plus courtes. Or, au cours de nombreux essais, la Demanderesse a pu déterminer, de façon tout à fait surprenante, qu'il était possible d'effectuer en continu un traitement thermochimique superficiel sur une bande d'acier écroui à froid et que ce traitement permettait d'obtenir des bandes d'acier présentant sur leurs deux faces des couches d'imprégnation superficielles d'éléments chimiques additifs tout à fait uniformes et d'épaisseur importante et ceci en des laps de temps beaucoup plus courts que ceux nécessaires pour l'obtention de couches comparables dans le cas d'un traitement discontinu sur pièces finies. Cette rapidité d'exécution rend le procédé en continu également très intéressant sur le plan économique. Le procédé de traitement thermochimique superficiel de l'acier selon l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre une bande d'acier, préalablement écrouie à froid, à un traitement thermique en continu pendant une durée inférieure à dix minutes en présence d'une atmosphère composée d'un mélange gazeux fournissant les éléments destinés à réagir avec l'acier. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de ce procédé, le traitement thermique est effectué à une température au moins égale à 550"C, et le mélange gazeux constituant l'atmosphère est composé d'azote, de méthanol, d'ammoniac et de propane. Afin d'optimiser la cinétique de ce traitement thermochimique de carbonitruration, les proportions des composants du mélange gazeux injecté sont avantageusement les suivantes : 20 9b d'azote, 75 Ó de méthanol gazeux, 3 Co d'ammoniac et 2 Ó de propane. De façon préférée, la température de la barde d'acier dans le four est voisine de 850"C et la durée de passage de la bande d'acier dans le four est inférieure à deux minutes. Le traitement chimique de carbonitruration proprement dit est suivi d'une phase de refroidissement dans des conditions variables selon les applications futures de la bande d'acier. Ainsi selon une première forme de mise en oeuvre du procédé, le traitement thermochimique est suivi d'une phase de refroidissement contrôlé et lent en continu. La bande d'acier obtenue présente une dureté interne peu élevée, ce qui permet son découpage, son formage ou son emboutissage pour la fabrication de pièces finies. Par ailleurs, conformément à une seconde forme de mise en oeuvre du procédé, le traitement thermochimique est suivi d'une trempe directe réalisée en continu. On obtient ainsi un acier à grande dureté interne, dont les bandes peuvent être découpées en utilisant un outillage spécifique adapté. De toute façon, I'invention sera mieux comprise et ses avantages ressortiront bien de la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de traitement thermochimique superficiel de bandes d'acier selon l'invention, en référence au dessin schématique annexé, dans lequel Figure I est une représentatlon schématique d'une installation permettant la mise en oeuvre du procédé Figure 2 est une représentation schématique des moyens de production et d'injection d'atmosphère de l'installation selon l'invention. Sur le dessin, l'installation servant à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est représentée de façon générale par 1, la bande d'acier par 2, le four de traitement chimique par 3, les moyens de production et d'injection d'atmosphère gazeuse par 4, les moyens de refroidissement final par 5. Les moyens assurant un passage régulier et continu de la bande 2 dans l'installation 1 sont essentiellement constitués d'un poste de déroulage 6 en amont de l'installation I et d'un poste de traction et d'enroulement 7 en aval de ladite installation, à la sortie des moyens de refroidissement 5. A titre d'exemple, il va être décrit un procédé de carbonitruration en continu d'une bande d'acier 2. Les aciers concernés par ce procédé sont des aciers non alliés ou alliés avec des composés tels que le nickel ou le chrome. Leur teneur en carbone directement liée à leur dureté peut être faible moyenne ou haute. Le produit à traiter se présente sous la forme d'un feuillard ou d'une bande 2 d'épaisseur variant de 0,05 à 6 mm. La bande d'acier 2 est, tout d'abord, soumise à un traitement à froid tel que le laminage dans une installation non représentée sur le dessin. Au terme de ce traitement, la bande d'acier 2 est disposée sur un poste de déroulage 6 constitué par un rouleau porteur 6a suivi par des cylindres de guidage 6b, chacun d'eux étant en contact avec l'une des faces de la bande 2. L'extrémité libre de celle-ci est reliée au poste d'enroulement et de traction 7 constitué par un rouleau tracteur 7a et par des cylindres de guidage 7b. La rotation du rouleau tracteur 7 est générée par tout moyen d'énergie approprié non représenté sur le dessin permettant le défilement continu et régulier de la bande 2 à l'intérieur de l'installation 1. Le premier élément au travers duquel la bande d'acier 2 passe, est le four de traitement 3. Celui-ci peut, par exemple, atteindre la température maximale de 1 000"C et amener ainsi la bande d'acier 2 à une température comprise entre 600"C et 9000C de préférence 850"C. La durée de passage de la bande d'acier 2 dans le four de traitement 3 est d'environ deux minutes. Ainsi qu'il ressort de la figure 1, des moyens 4 de production et d'lnjection d'atmosphère sont reliés au four de traitement et amènent dans l'enceinte de celui-ci le mélange gazeux composé, dans cet exemple, de 25 OO d'azote, 75 % de méthanol gazeux, de 3 so d'ammoniac et de 2 9o de propane. Ce mélange gazeux endothermique fournit, sous l'effet de la chaleur, les éléments carbone et azote destinés à diffuser à l'intérieur de la bande d'acier 2 à l'état austénitique. Ces moyens 4, schématisés à la figure 2, comprennent des conduites 10 et 11 d'alimentation respectivement en propane et en ammoniac fournis par des réservoirs de gaz sous pression non représentés sur le dessin. Chaque conduite 10,11 est équipée d'un débit-mètre respectivement 40,41 et d'une vanne respectivement 30,31 permettant la régulation et le contrôle des débits des gaz considérés. Ces conduites 10,11 débouchent dans une conduite unique 14 rejoignant une conduite 20 en communication avec l'enceinte de four 3 par l'intermédiaire d'un diffuseur connu en soi et non-représenté sur le dessin. L'azote, également contenu sous pression dans un réservoir non représenté sur le dessin, est acheminé par une conduite 12 vers un débit-mètre 42 couplé à une vanne 32. Une conduite 18 relie ensuite cette vanne 32 à un évaporateur 50 dont le rôle sera expliqué plui loin. Un branchement 15, reliant la conduite 12 à un réservoir 13 de méthanol liquide, assure, par ailleurs, le maintien du méthanol liquide sous atmosphère d'azote évitant la réaction du méthanol liquide avec la vapeur d'eau. Le méthanol liquide circule dans une conduite 16 jusqu'à une vanne 33 couplée à un débit-mètre 43. Une conduite 17 assure ensuite la jonction de ce débit-mètre 43 avec la conduite 18. A l'intérieur l'évaporateur 50, le méthanol liquide passe à l'état gazeux et se mélange avec l'azote pour être ensuite amené dans la conduite 20 par l'intermédiaire d'une conduite 19. Suite à l'imprégnation à chaud des deux faces de la bande d'acier 2 par le carbone et l'azote, celle-ci passe au travers des moyens de refroidissement 5. Le choix du refroidissement diffère en fonction de l'application future de la bande d'acier 2 carbonitrurée. Il peut s'agir d'un refroidissement lent et contrôlé auquel cas les moyens de refroidissement 5 sont constitués par un four multizones connu en soi, dans lequel la température à l'entrée, nettement inférieure à celle d'austénisation. décroit graduellement jusqu'à la sortie du four pour atteindre une température comprise entre 50"C et 100 C. Dans ce cas, la bande d'acier 2 présente une couche superficielle carbonitrurée dure et un coeur à dureté plus faible permettant de soumettre la bande d'acier 2 à des opérations de fabrication telles que le pliage, I'emboutissage ou le découpage sans risque de détérioration du m zériau. Le refroidissement de la bande d'acier 2 traitée peut également s'effectuer par trempe directe en continu. Tous les types de trempe peuvent être réalisés selon l'acier et la structure à obtenir : trempe martensitique pour les aciers non alliés, trempe étagée (bainitique à coeur et martensitique en surface) pour les aciers alliés. L'ensemble de refroidissement 5 approprié est, dans ce cas, soit un système de trempe martensitique tel que celui dans lequel la bande d'acier 2 passe entre des plaques refroidies par de l'huile, soit un système de trempe étagée, par exemple, par passage de la bande d'acier 2 dans un bain de plomb en fusion à 280"C. Au sortir de l'ensemble de refroidissement 5, la bande d'acier 2 traitée et refroidie pour obtenir la dureté désirée est mise en rouleau par I'ensemble d'enroulement et de traction 7 constitué par deux rouleaux de guidage 7b déviant le parcours de la bande d'acier 2 et par un rouleau 7a mis en mouvement par tout moyen d'énergie approprié et autour duquel la bande d'acier 2 s'enroule. La bande d'acier est ainsi prête à être utilisée dans la fabrication de pièces quelconques. Par ce procédé de traitement de carbonitruration en continu, des épaisseurs de couche carbonitrurée de 0,08 mm sur les deux faces de la bande ont pu être obtenues pour des durées de passage de 2 minutes. En ce qui concerne les duretés superficielles, pour un acier doux, la dureté Vickers s'élevait à 950 HV, 1030 HV pour un acier XC 45 et 1150 HV pour un acier XC 70. Comme on peut en juger, les résultats obtenus sont particulièrement remarquables, compte-tenu du peu de temps requis pour le traitement. L'exemple qui suit de mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractéristique : Un feuillard d'acier doux laminé à froid d'une teneur totale en carbone de 0,05 Ó et d'une dureté superficielle de 105 HV, présentant une épaisseur de 0,1 mm, a été carbonitruré en continu selon le procédé décrit ci-dessus. La température du feuillard d'acier dans le four de traitement était de 850 C environ pour un temps de passage dans le four de deux minutes. Le feuillard a été soumis à une trempe étagée dans un bain de plomb en fusion à 2Sû"C. Le feuillard obtenu présente une épaisseur d'imprégnation par le carbone et l'azote de 0,05 mm par face et une teneur totale en carbone de 0,7 5Ó ; la dureté superficielle de ce produit est de l'ordre de 990 HV. Dans cet exemple de feuillard de faible épaisseur, il y a eu modification totale de la composition de l'acier et transformation d'un acier "doux" en acier "trempant" de composition spéciale. Ce feuillard de faible épaisseur en acier "trempant" trouve une application intéressante comme base à la fabrication de mètres à ruban. - REVENDICATIONS 1- Procédé de traitement thermochimique superficiel de l'acier, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre une bande d'acier, préalablement écroui à froid, à un traitement thermique en continu pendant une durée inférieure à dix minutes en présence d'une atmosphère composée d'un mélange gazeux fournissant les éléments destinés à réagir avec l'acier. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique est effectué à une température au moins égale à 550"C. 3- Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le mélange gazeux constituant l'atmosphère est composé d'azote, de méthanol, d'ammoniac et de propane. 4- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le mélange gazeux renferme 20 % d'azote, 75 0o de méthanol gazeux, 3 o; d'ammoniac et 2 % de propane. 5- Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la température de la bande d'acier dans le four est voisine de 850"C. 6- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la durée de passage de la bande d'acier dans le four est inférieure à deux minutes. 7- Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 6. caractérisé en ce que le traitement thermochimique est suivi d'une phase de refroidissement contrôlé et lent en continu. 8- Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que le traitement thermochimique est suivi d'une trempe directe réalisée en continu. 9- Installation (I) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend - un four de traitement (3) délivrant une température maximale de I 000"C - des moyens (4) de production et d'injection à l'intérieur du four d'une atmosphère composée d'un mélange gazeux - des moyens de refroidissement (5), - des moyens (6,7) assurant le défilement régulier et en continu d'une bande d'acier à l'intérieur de l'installation. 10- Bande d'acier (2) obtenue par mise en oeuvre du procédé de traitement thermochimique superficiel selon l'une quelconque des revendications I à 8 à partir d'un acier doux ou faiblement allié. 11- Bande d'acier (2) selon la revendication 10,, caractérisée en ce qu'elle est carbonitrurée sur toute son épaisseur, ce qui conduit à une modification totale de sa composition. 12- Application de la bande d'acier selon l'une quelconque des revendications 10 et 11 à la fabrication de mètres à ruban.