Brevet FR2686100A1 — publié le 19930716

L'invention concerne le domaine des traitements de surface de type thermochimique, visant à augmenter la dureté de pièces en acier soumises à usure et à durées de vie en fatigue (engrenages, etc.....). Le principal traitement thermochimique concerné est la nitruration, mais il- peut aussi s'agir de cémentation ou de carbonitruration. De tels traitements sont donc très différents dans leurs principes et leurs effets des traitements de surface réalisés par action mécanique pour améliorer les caractéristiques de tenue en service de pièces métalliques et éviter la formation de criques (par exemple un grenaillage par des billes calibrées en verre ou en acier). Les pièces métalliques à traiter sont habituellement rangées dans un four de traitement, et l'on utilise les espaces résiduels pour disposer également à l'intérieur du four divers témoins de contrôle (témoins de microdureté, barreaux servant à effectuer un test ultérieur de résilience, etc ). Le traitement thermochimique génère des contraintes superficielles de compression, et il apparaît intéressant que les effets du traitement de surface ainsi réalisé puissent être à la fois contrôlés et reproductibles. C'est ainsi que l'on souhaite pouvoir contrôler le "degré de pénétration" correspondant au traitement de surface effectué, en particulier le degré de nitruration, c'est-àdire à la fois la profondeur de pénétration et la répartition du champ de contraintes résiduel. L'invention a précisément pour objet de concevoir un procédé de contrôle permettant de contrôler avec précision le degré de pénétration correspondant au traitement de type thermochimique effectué. L'invention a aussi pour objet de réaliser un procédé de contrôle particulièrement bien adapté au cas de la nitruration, et qui permette d'obtenir des renseignements fiables sur le degré de nitruration, autrement dit sur la profondeur de nitruration affectée par les contraintes résiduelles. I1 s'agit plus particulièrement d'un procédé de contrôle d'un traitement de surface de type thermochimique, notamment par nitruration, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser d'abord une éprouvette se présentant sous la forme d'une plaquette en acier, de dimensions prédéterminées, ladite plaquette ayant préalablement subi un traitement de revêtement sur toutes ses faces à l'exception d'une face principale en vue d'interdire le traitement thermochimique sur lesdites faces, puis à mettre en oeuvre ledit traitement thermochimique pour traiter cette face principale, et enfin à mesurer la flèche que présente la plaquette par suite de ce traitement pour contrôler le degré de pénétration correspondant. De cette façon, l'éprouvette spécialement préparée pour le type de traitement thermochimique effectué, peut être disposée dans le four avec les pièces traitées, tout comme les divers témoins de contrôle habituellement utilisés. A l'issue du traitement, la mesure de flèche effectuée sur l'éprouvette permet de contrôler le degré de pénétration correspondant, et par suite d'obtenir de précieux renseignements sur l'intensité du traitement thermochimique appliqué aux pièces concernées (profondeur affectée par les contraintes résiduelles). Dans le cas particulier de la nitruration, il est intéressant que l'éprouvette utilisée soit en acier de nuance nitrurable, et se présente sous la forme d'une plaquette rectangulaire ou carrée dont l'épaisseur est choisie en fonction de la gamme concernée des profondeurs de nitruration. De préférence encore, l'épaisseur de la plaquette est choisie d'autant plus grande que les profondeurs de nitruration concernées sont élevées, ladite épaisseur étant sensiblement comprise entre I et 5 mm. I1 est également avantageux que le traitement préalable de revêtement de certaines faces de la plaquette en vue d'interdire la nitruration sur lesdites faces comporte un dépôt de cuivre ou un dépôt de cuivre-zinc, dont l'épaisseur est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres. Avantageusement encore, la mesure de la flèche que présente la plaquette après nitruration de sa face principale est effectuée en disposant cette plaquette sur quatre billes qui définissent un plan de référence et qui sont organisées en rectangle ou en carré, puis en mesurant la flèche avec un comparateur dont le palpeur est amené au niveau de l'intersection fictive des diagonales- joignant les quatre billes d'appui. De préférence alors, la plaquette est simplement posée en étant centrée sur les quatre billes d'appui par sa face convexe nitrurée, le palpeur du comparateur étant alors descendu sur la face-concave non nitrurée de ladite plaquette. Pour améliorer encore la précision de la mesure de flèche, il est également intéressant que le comparateur soit préalablement étalonné en mettant en place sur les billes d'appui la plaquette préalablement revêtue, en particulier cuivrée, mais pas encore nitrurée, afin de tenir compte de l'épaisseur du dépôt réalisé lors de ce revêtement préalable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre et du dessin annexé, concernant un mode d'exécution particulier, en référence aux figures où - la figure 1 illustre schématiquement le principe général du procédé conforme à l'invention, avec une éprouvette se présentant ici sous la forme d'une plaquette rectangulaire (représentée transparente pour'plus de commodité), posée sur quatre billes d'appui, et au centre de laquelle on mesure la flèche en utilisant un comparateur de type conventionnel (le palpeur amené au contact de la plaquette est seulement symbolisé par une flèche dont la direction est perpendiculaire au plan de référence défini par les quatre appuis) ;; - les figures 2 à 4 sont des vues de dessus et en élévation de l'appareil de mesure utilisé, avec une plaquette dont une face principale (ici la face convexe) a subi un traitement de nitruration, ce qui confère à ladite plaquette une déformation en forme de calotte sphérique. On fera référence dans la description donnée ciaprès à un traitement thermochimique qui est un traitement de nitruration, mais il va de soi que le procédé selon l'invention pourra être appliqué à des traitements de cémentation ou de carbonitruration (l'éprouvette aura alors déjà subi le traitement thermique correspondant avant la mesure de flèche, et le principe du procédé de contrôle restant directement applicable). La phase préparatoire du procédé consiste à réaliser une éprouvette qui se présente sous la forme d'une plaquette en acier de dimensions prédéterminées, et qui a subi un traitement préalable de revêtement sur une partie de sa surface extérieure. On distingue ainsi sur la figure 1 une plaquette 10, ici de forme rectangulaire, dont les faces principales sont référencées 11, 12, et les faces latérales 13, 14,15,16. On a noté a la longueur, b la largeur, et c l'épaisseur-de la plaquette 10. S'agissant ici d'une nitruration, la plaquette sera réalisée à partir d'un acier de nuance nitrurable. On pourra par exemple utiliser un acier de nitruration faiblement allié comme le 32 CDV13 fréquemment utilisé dans le domaine de la construction aéronautique : la composition chimique de cet acier correspond aux plages suivantes : 0,29 à 0,36 % de carbone, 0,10 à 0,40 % de silicium, 0,40 à 0,70 % de manganèse, 2,80 à 3,30 % de chrome, O à 0,30 % de nickel, 0,70 à 1,20 % de molybdène et 0,15 à 0,35 % de vanadium. Les dimensions a et b de la plaquette 10 peuvent rester les mêmes quelles que soient les conditions du traitement de nitruration effectué (les paramètres principaux sont le temps et la température). En général, les temps concernés vont de 15 heures à 100 heures, et les températures de 500 à 5600C. Toutefois, dans le cadre de certaines applications particulières (tribologiques par exemple), on peut être amené à utiliser une nitruration ionique (par plasma), pour laquelle les temps peuvent être ramenés à des valeurs de 2 à 3 heures, et les températures à environ 4009C. Il conviendra cependant de choisir des valeurs suffisamment grandes pour que les flèches mesurées soient significatives, par exemple 100 à 150 mm pour la longueur a (la valeur maximale étant préférée), et 50 mm pour la largeur b. Par contre, l'épaisseur e de la plaquette 10 est de préférence choisie d'autant plus grande que les profondeurs de nitruration concernées sont élevées, cette épaisseur étant sensiblement comprise entre 1 et 5 mm. Dans la pratique, on pourra choisir pour l'épais- seur e une valeur de 1,5 mm pour une nitruration de O à 0,4 mm, de 2,5 mm pour une nitruration de 0,4 à 0,7 mm, et de 4,5 mm pour une nitruration allant au-delà de 0,7 mm. I1 convient de rappeler que les profondeurs de nitruration indiquées correspondent à des valeurs de profondeur dite "efficace" ou "conventionnelle". Selon les conventions utilisées, il s'agit de la profondeur correspondant à la valeur minimale de la dureté du métal de base augmentée d'une constante, c'est-àdire 50 ou 100 en général pour une dureté Vickers à 0,2 kg (HV 0,2) ou à 0,5 kg (HV 0,5). En l'espèce, on a retenu le système habituellement utilisé en France, c'est-à-dire une profondeur correspondant à une dureté de 100 + HV 0,2. Conformément à un aspect essentiel de l'invention, la plaquette 10 est préalablement revêtue sur toutes ses faces à l'exception d'une face principale (ici la face 11) en vue d'interdire la nitruration sur lesdites faces (ici les faces 12 à 16). On utilisera de préférence un dépôt de cuivre ou un dépôt de cuivre-zinc, avec une épaisseur de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres. Un cuivrage correspondant à une couche de 0,1 à 0,2 mm constitue un revêtement préalable très satisfaisant, le dépôt s'effectuant par voie électrolytique, avec un masque métallique ou une peinture adéquate recouvrant lors de ce processus, la face principale qui ne doit pas être concernée par ce traitement préalable de revêtement. Les étapes successives -de fabrication d'une telle plaquette se présentent alors de préférence comme suit - normalisation de la barre circulaire ou de la pièce forgée utilisée comme brut initial (austénisation à 9750C, refroidissement par air, revenu à 730"C) ; - débit du brut pour obtenir une ébauche grossière; - usinage d'ébauche à + 1 mm - caractérisation de la pièce usinée (austénisation à 940"C, trempe à l'huile, revenu à 620"C) - usinage de demi-finition - recuit de-relaxation (pendant 5 heures à 600"C, sans décarburation) ;; - usinage de finition (avec une tolérance générale de + 0,25 mm, et une planéité d'environ 0,05) - cuivrage de toutes les faces (à l'exception d'une face principale qui subira ultérieurement le traitement de nitruration), avec un dépôt de cuivre de 0,1 à 0,2 mm - phosphatation, pour faciliter la diffusion dans la face principale ultérieurement nitrurée, grâce à un meilleur échange entre le milieu nitrurant et l'acier. Après nitruration, la plaquette 10 constituant l'éprouvette ainsi préparée présente une déformation en forme de rectangle sphérique, et on va mesurer la flèche que présente cette plaquette pour contrôler le degré de nitruration correspondant. Ainsi que cela a été indiqué plus haut, la notion de degré recouvre à la fois la profondeur de pénétration et la répartition du champ de contraintes résiduel. On a pu en effet constater par des essais que la flèche de la plaquette est proportionnelle à la profondeur de nitruration et aux contraintes de compression superficielles, de sorte que la mesure de cette flèche fournit une indication directe du degré de nitruration. Les essais effectués tendent d'ailleurs à montrer que la profondeur de nitruration n'est pas influencée par l'épaisseur de la plaquette, et que les flèches longitudinales et transversales de la plaquette varient linéairement avec la profondeur conventionnelle de nitruration (de même que le rayon de courbure), et par suite la flèche totale (somme des flèches longitudinale et transversale) que l'on mesure. Comme cela est schématisé sur la figure 1, la plaquette 10 ayant subi le traitement de nitruration est disposée sur quatre billes 20, par exemple des billes de 10 mm de diamètre, qui définissent un plan de référence et qui sont organisées en rectangle ou en carré, la flèche étant mesurée (en 23) par un comparateur (flèche schématique 100) au niveau de l'intersection fictive 22 des diagonales 21 joignant les quatre billes d'appui (ou plus précisément les sommets de ces billes qui sont dans le plan de référence ainsi défini). Les figures 2 à 4 illustrent un appareil de mesure 50 permettant d'effectuer les mesures de flèches des éprouvettes après nitruration d'une de leurs faces principales. L'appareil 50 comporte un bâti en L, avec une platine verticale 51 supportant un comparateur 55, et une platine horizontale 52 portant les quatre billes d'appui 20. Le comparateur 55 est de type conventionnel (on utilisera de préférence un comparateur au 1/100), et son boîtier 60 est fixé sur une barrette verticale 56 de la platine 51, ladite barrette présentant un oblong 58 permettant de régler la 57 du comparateur doit être calé de telle façon que son axe X coïncide avec l'axe central du support à billes (axe perpendiculaire au plan de référence, et passant par l'intersection fictive des diagonales joignant les quatre billes d'appui). L'écartement des billes d'appui 20 est adapté aux dimensions de la plaquette 10 utilisée : avec une plaquette de 150 mm x 50 mm, les écartements D1 et D2 (figure 2) seront respectivement de l'ordre de 140 mm et 40 mm. La plaquette 10 est de préférence simplement posée en étant centrée sur les quatre billes d'appui 20. Le centrage sera facilité en prévoyant quelques pions de positionnement 25 (ici trois pions), de façon que le point de contact 23, qui est au centre de la plaquette 10, soit bien sur l'axe X du comparateur. La plaquette 10 est ainsi posée sur les quatre billes 20, ici par sa face convexe 11 nitrurée, puis le palpeur 57 du comparateur est descendu pour la mesure de la flèche sur la face concave 12 non nitrurée de ladite plaquette. Il convient naturellement d'étalonner le comparateur pour que la mesure de la flèche, notée F sur les figures 3 et 4, soit aussi précise que possible. Il est pour cela préférable de procéder tout d'abord à un étalonnage préalable en utilisant la plaquette 10 préalablement cuivrée mais pas encore nitrurée (la plaquette étant alors plate), ce qui permet de tenir compte de l'épaisseur de la couche de cuivre déposée sur la face 12. L'ordre de grandeur des flèches F mesurées est de quelques millimètres, de sorte que l'on obtient des mesures qui donnent des indications d'une grande précision sur le degré de nitruration, ce que corroborent d'ailleurs les essais qui ont pu être effectués par la demanderesse. Le procédé de contrôle précité permet en outre d'élaborer une échelle comparative à partir d'éprouvettes différentes, ce qui rend possible une comparaison directe des degrés de nitruration à partir des valeurs de référence de cette échelle. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle d'un traitement de surface de type thermochimique, notamment par nitruration, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser d'abord une éprouvette se présentant sous la forme d'une plaquette (10) en acier, de dimensions prédéterminées, ladite plaquette ayant préalablement subi un traitement de revêtement sur toutes ses faces (12 à 16) à l'exception d'une face principale (11) en vue d'interdire le traitement thermochimique sur lesdites faces, puis à mettre en oeuvre ledit traitement thermochimique pour traiter cette face principale (11), et enfin à mesurer la flèche (F) que présente la plaquette (10) par suite de ce traitement pour contrôler le degré de pénétration correspondant. 2. Procédé de contrôle d'un traitement de nitruration selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'éprou- vette (10) est en acier de nuance nitrurable, et se présente sous la forme d'une plaquette rectangulaire ou carrée dont l'épaisseur (e) est choisie en fonction de la gamme concernée de profondeurs de nitruration. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur (e) de la plaquette (10) est choisie d'autant plus grande que les profondeurs de nitruration concernées sont élevées, ladite épaisseur étant sensiblement comprise entre 1 et 5 mm. 4. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le traitement préalable de revêtement de certaines faces (12 à 16) de la plaquette (10) en vue d'interdire la nitruration sur lesdites faces comporte un dépôt de cuivre ou un dépôt de cuivre-zinc, dont l'épais- seur est de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la mesure de la flèche (F) que présente la plaquette (10) après nitruration de sa face principale (11) est effectuée en disposant cette plaquette (10) sur quatre billes (20) qui définissent un plan de référence et qui sont organisées en rectangle ou en carré, puis en mesurant la flèche (F) avec un comparateur (50) dont le palpeur (57) est amené au niveau de l'intersection fictive des diagonales (21) joignant les quatre billes d'appui (20). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plaquette (10) est simplement posée en étant centrée sur les quatre billes d'appui (20) par sa face convexe (11) nitrurée, le palpeur (57) du comparateur étant alors descendu sur la face concave (12) non nitrurée de ladite plaquette. 7. Procédé selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que le comparateur (50) est préalablement étalonné en mettant en place sur les billes d'appui (20) la plaquette (10) préalablement revêtue, en particulier cuivrée, mais pas encore nitrurée, afin de tenir compte de l'épaisseur du dépôt réalisé lors de ce revêtement préalable.