Brevet FR2678287A1 — publié le 19921231

PROCÉDÉ ET FOUR DE CEMENTATION À BASSE PRESSION La présente invention concerne le traitement de pies métalliques, et plus particulièrement le traitement de cémentation, c est-à-dire d'introduction de carbone dans la surface de pièces pour améliorer leur dureté. Dans 1 'art antérieur, divers procédés de cémentation ont été décrits et notamment un procédé de cémentation sous pression réduite publié dans la revue TRT N" 197 de décembre 1985 par Y. Pourprix et J. Naudot. Pour obtenir des profondeurs de diffusion relativement importantes des atomes de carbone, il est proposé d'opérer dans une enceinte dans laquelle les pièces sont maintenues à une température de 950 à 1000"C puis de procéder à des cycles successifs d'enrichissement et de diffusion. Au cours des phases d'enrichissement, les pièces sont mises en présence de propane (C3Hg) ou de mélanges C2H4+N2 ou C3Hg+N2. Pendant les phases de diffusion, 1 'enceinte contenant les pièces est mise sous vide. Il est indiqué que la répétition des étapes d'enrichissement et de diffusion permet d'obtenir des profils de conoentration de carbone plus profonds dans la pièce et que les durées des cycles peuvent être calculées à partir du résultat souhaité. En pratique, bien que ce procédé soit sensiblement plus rapide que les autres procédés classiques de cémentation, tels que par exemple le procédé de cémentation gazeuse à régulation de potentiel carbone, il conserve des phases intermédiaires de saturation et de désaturation au cours desquelles le flux de carbone est mal maitrisé ce qui rend les modélisations peu précises. Par ailleurs, on connaît des processus de cémentation par bombardement ionique mais ces processus sont beaucoup plus complexes et impliquent un système de régulation du flux de carbone pour l'adapter à tout instant à la capacité de diffusivité du carbone dans l'acier (diffusivité qui varie avec les alliages et avec la température). Un objet de la présente invention est de prévoir une amélioration des procédés de cémentation sous pression réduite à cycles alternés d'enrichissement et de diffusion qui permette un traitement plus rapide de pièces et qui permette d'atteindre avec précision un résultat prédéterminé. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé de cémentation comprenant une alternance d 'éta- pes d'enrichissement à faible pression en présence d'un gaz de cémentation et d'étapes de diffusion, dans lequel les étapes de diffusion sont réalisées sensiblement à la même pression que les étapes d'enrichissement en remplaçant le gaz de cémentation par un gaz neutre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la pression est établie par circulation de gaz dans une encein- te, le gaz de cémentation et le gaz neutre étant alternativement envoyés pendant des durées déterminées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz de cémentation comprend du propane et le gaz neutre est de l'azote. De préférenoe, la pression dans 1 'enceinte est maintenue à une valeur de l'ordre de 300 à 700 pascals. La présente invention prévoit aussi un four de cémentation pour la mise en oeuvre de ce procédé associé à des moyens d 'introduction de gaz et d'extraction de gaz commandés pour maintenir une pression interne déterminée, comprenant des moyens pour introduire alternativement un gaz de cémentation et un gaz neutre. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés plus en détail en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles la figure 1 représente un four de cémentation basse pression la figure 2 illustre le procédé de cémentation à alternance de phases d'enrichissement et de diffusion sous vide selon l'art antérieur ; la figure 3 illustre le procédé de cémentation basse pression selon la présente invention ; la figure 4 illustre des résultats obtenus avec le procédé selon la présente invention. La figure 1 représente de façon schématique un four de cémentation basse pression. On utilise généralement un four à double paroi comprenant une paroi étanche externe 1 et une paroi interne 2 perméable aux gaz. Dans l'enceinte interne est disposée une charge à traiter 3, généralement un grand nombre de pièces disposées sur un support approprié. Un vide de l'ordre de quelques dizaines de pascals (quelques dixièmes de millibars) peut être obtenu dans l'enceinte interne 2 grâce à une canalisation d'extraction 4 reliée à un extracteur 5. Un injecteur 6 permet d'introduire des gaz choisis de façon répartie dans l'enceinte interne 2. On a représenté à titre d'exemple, des entrées de gaz 7 et 8, respectivement contrôlées par des vannes 10 et 11. Ces vannes sont représentées de façon très schématique.En fait, on utilisera des débitmètres massiques, des vannes de régulation de pression et des vannes d'arrêt. Carme cela a été indiqué précédemment, selon l'art antérieur, on procède à des séquences d'injections de gaz et de mises sous vide dans 1 'enceinte du four de cémentation. La figure 2, qui est une courbe de pression (P) en fonction du temps (t), illustre ce procédé de l'art antérieur. Pendant une phase initiale, entre des instants to et tl, I'enceinte est mise sous vide. On procède ensuite à des phases successives d'enrichissement, c'est-à-dire d d'injection de gaz de cémentation, désignées dans la figure par la lettre E et de diffusion, ctest-à-dire de mise sous vide, désignées par la lettre D. En considérant la figure 2, qui illustre l'art antérieur, on notera que les phases de mise sous une pression de quelques centaines de pascals) (quelques millibars) du gaz de cémentation ne sont pas instantanées, mais surtout que les phases de réduction de pression sont relativement lentes. Par exemple dans une enceinte pratique d'une contenance de 500 litres, les temps de montée en pression sont de l'ordre d'une trentaine de seconde et les temps de descente en pression sont de l'ordre de deux à trois minutes. Ainsi, il existe au cours du processus, des phases intermédiaires (entre les instants tl et t2 et entre les instants t3 et t4) où 1 'ambiance dans laquelle sont situées les pièces est mal définie ce qui nuit aux possibilités de prévision des effets qui seront obtenus et augmente la durée nécessaire des phases d 'enrichissement et de diffusion. Par exemple, un cycle classiquement utilisé dans l'art antérieur comprend des phases d'enrichissement successives de deux minutes, une minute et une minute respectivement suivies de phases de diffusion sous vide de trois minutes, quatre minutes et dix-huit minutes. Par rapport à ces durées, les durées des phases intermédiaires susmentionnées (plus d'une minute) sont loin d'être négligeables). La présente invention prévoit d'envoyer alternativement un gaz de cémentation puis un gaz neutre. Le gaz de cémentation est de préférence du propane (C3Hg) pur mais peut être tout autre hydrocarbure susceptible de se déssocier aux températures de I'enceinte pour cémenter la surface de la ou des pièces à traiter. On rappelera que les températures dans l'enceinte sont généralement choisies de l'ordre de 950 à 1050"C. En reprenant le schéma de la figure 1, on pourra faire arriver sur Ventrée 7 de la vanne 10 du propane et sur l'entrée 11 de la vanne 8 de l'azote ou autre gaz neutre. Ces deux vannes seront actionnées en alternance. Comme le représente la figure 3, le système selon la présente invention fonctionne sans variation de pression et la substitution des gaz est susceptible de se produire très rapidement (en une durée de l'ordre de quelques secondes seulement). Ainsi, chacune des phases peut être plus courte. Par exemple, le procédé selon la présente invention a été mis en oeuvre en prévoyant des phases successives de cémentation ayant des durées de l'ordre d'une minute, trente secondes, trente secondes, respectivement suivies de phase de diffusion de deux minutes, trois minutes, cinq minutes... Ces phases plus courtes ont eu la même efficacité que les phases plus longues de 1' art antérieur. En outre, les résultats obtenus se sont avérés correspondre très précisément aux prévisions théoriques. Un avantage de raccourcissement des phases d'enrichissement est que, le processus de cémentation étant endothermique, on provoque des chocs thermiques à la surface des pièces à traiter ce qui déstabilise d'éventuels formations de carbures superficiels (cémentite). Subsidiairement, la phase de mise sous vide initiale peut être plus rapide puisqu'elle se passe en atmosphère d' azote et qu'il n'est pas nécessaire de faire un vide aussi élevé que dans 1' art antérieur. La figure 4 illustre des résultats d'opérations successives d'enrichissement et de diffusion réalisées dans la surface d'une pièce métallique. On a désigné en abscisse la profondeur perpendiculairement à la surface de la pièce et en ordonnée le pourcentage de carbone. On suppose que le pourcentage initial de carbone de la pièce est de l'ordre de 0,28. Les profils de concentration de carbone sont indiqués à la fin d'étapes successives d'enrichissement El, E2, E3, E4 séparées par des phases successives de diffusion D1, D2, D3, D4. Chaque phase de diffusion est poursuivie jusqu'à ce que la concentration de carbone en surface soit ramenée à environ 0,7* après la saturation provoquée par la phase d'enrichissement. On voit qu'après quatre séquences d'enrichissement/diffusion, on atteint une profondeur de pénétration notable du carbone dans la pièce. REVENDICATIONS 1. Procédé de cémentation comprenant une alternance d'étapes d'enrichissement à faible pression en présence d'un gaz de cémentation et d'étapes de diffusion, caractérisé en ce que les étapes de diffusion sont réalisées sensiblement à la même pression que les étapes d'enrichissement en remplaçant le gaz de cémentation par un gaz neutre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression est établie par circulation de gaz dans une enceinte, le gaz de cémentation et le gaz neutre étant alternativement envoyés pendant des durées déterminées. 3. Procédé de cémentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz de cémentation comprend du propane. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz neutre est de l'azote. 5. Procédé selon 1' une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que la pression dans l'enceinte est maintenue à une valeur de l'ordre de 300 à 700 pascals. 6. Four de cémentation associé à des moyens d'intro- duction de gaz et d'extraction de gaz canmandés pour maintenir une pression interne déterminée, caractérisé en ce que les moyens d' introduction canprennent des moyens (10, 11) pour introduire alternativement un gaz de cémentation et un gaz neutre. 7. Four selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gaz neutre est de l'azote.