Brevet FR2687169A1 — publié le 19930813

PROCEDE DE TRA1IEMENT THERMIQUE PAR INDUCTION BI FREOUENCE SIMULTANEE La présente invention est relative à un procédé de traitement thermique par induction bi-fréquence simultanée. Ce procédé est particulièrement intéressant pour conférer à une pièce en acier une structure en couches stratifiées dont la dureté augmente progressivement entre le coeur et la périphérie de la pièce. Le durcissement superficiel assure principalement la résistance à la fatigue de surface due aux pressions de contact, le durcissement interne assurant, pour sa part, la résistance à la fatigue massique due par exemple aux flexions ou aux chocs.Cette résistance est spécialement requise dans l'industrie automobile pour les pièces mécaniques subissant de fortes contraintes, telles que les dentures d'engrenages de boîtes de vitesses et les joints de transmission. Le traitement de trempe superficielle par induction permet en chauffant puis en trempant rapidement à l'eau la pièce d'obtenir une dureté superficielle équivalente à HV 650 sans modifier l'état massique qui reste à la dureté d'origine HV 250 sur un acier recuit à 0,4 % de carbone. Ce traitement présente néanmoins des difficultés d'accessibilité vers les surfaces creuses tels les fonds de dent éloignés de l'outil inducteur. Selon le brevet FR-A-938868 un dispositif utilise une bobine connectée à deux sources de courant électrique de fréquences différentes. La première source fournie par un oscillateur électronique, est à haute fréquence, tandis que la seconde, due à un alternateur est de fréquence plus faible. Ceci va permettre d'obtenir, dans le cas d'un engrenage, une température uniforme et une dureté homogène des parties supérieures des dents et de leurs bases. Néanmoins le coeur de I'engrenage reste à I'état de dureté d'origine. Il n'y a donc que deux strates de dureté, ce qui n'est pas Ie gage d'une bonne tenue en fatigue de I'engrenage. La présente invention a pour objet un procédé permettant de remédier à cet inconvénient. Le procédé réalise tout d'abord une opération de traitement thermique en moyenne fréquence qui concerne la couche superficielle visible ainsi que la sous-couche ; ladite sous-couche se trouvant juste en dessous, le procédé réalise ensuite la combinaison de deux systèmes de chauffage, le premier à moyenne fréquence qui agit sur la couche superficielle et sur la souscouche, et le second à haute fréquence où seule la couche superficielle subit l'échauffement par induction, de façon à ce que leur combinaison donne des durcissements résultants différents entre la couche superficielle, la sous-couche et le coeur de la pièce subissant le procédé, le dit coeur correspondant à la sous-couche profonde de la pièce. Cette sous-couche profonde, de part sa distance très éloignée par rapport aux inducteurs reste à l'état recuit d'origine.Un intérêt de ce double durcissement réalisé rapidement est qu'il se fait sur l'état recuit qui est facilement usinable. Le procédé consiste donc en la combinaison d'une opération de traitement thermique suivie d'un chauffage séquentiel. L'opération est constituée par une première austénitisation à moyenne fréquence de la couche superficielle ainsi que de la sous-couche, suivie d'une trempe qui présente l'intérêt métallurgique de préparer les deux couches au revenu qui va suivre, en conférant une structure martensitique à grains fins et à teneur en carbone homogène. Un chauffage séquentiel succède à cette opération de traitement thermique. I1 se décompose en un revenu à moyenne fréquence de la couche superficielle et de la sous-couche, avec se déroulant en même temps, une seconde austénitisation à haute fréquence qui ne touche que la couche superficielle, suivis d'une seconde trempe.On a ainsi une souscouche qui a subit la première austénitisation, ce qui a augmenté la possibilité d'avoir de la martensite lors du revenu à une température moins forte. Le durcissement engendré par la trempe martensitique va donc être gommé par le revenu, la sous-couche aura donc une dureté plus importante que l'état recuit d'origine toujours présent dans la sous-couche profonde, mais moins importante que pour la couche superficielle. Cette dernière supporte, pour sa part, deux austénitisations : la première en même temps que la sous-couche et la seconde à haute fréquence simultanément au revenu de la sous-couche à moyenne fréquence; le revenu jouant, ici, un rôle de préchauffage de la couche superficielle. La caractéristique essentielle d'un tel procédé est que lors du chauffage séquentiel, ce sont deux systèmes de chauffage qui interviennent. Le premier système par induction moyenne fréquence, identique à celui utilisé lors de l'opération de chauffage initiale amenant le métal à la température de formation de la martensite revenue, suivi d'un premier palier de maintien de la température que I'on vient d'obtenir. Le second système de chauffage par induction haute fréquence, pour sa part, faisant subir à la pièce une austénitisation suivie d'un second palier de maintien plus court à la température d'austénitisation. Ce second système de chauffage entre en activité avant la fin du premier palier et se termine après la fin dudit palier, les deux systèmes de chauffage opèrent donc ensemble pendant une certaine durée. Le premier palier peut être stable à la température obtenue par le chauffage moyenne fréquence ou bien légèrement décroissant par une diminution de l'ordre de un tiers de la puissance injectée. Finalement le chauffage séquentiel se termine par une seconde trempe à l'eau pour ramener la pièce à la température ambiante. D'autres caractéristiques et avantages du procédé apparaîtront à la lecture de la description qui suit, d'un exemple d'utilisation de celui-ci. Les figures 1 à 4 sont données en annexe afin de bien faire comprendre l'objet de la présente invention. La figure 1 est la représentation de l'évolution de la température en fonction du temps lors de la mise en oeuvre et du déroulement du procédé, qui comprend dix phases numérotées de I à X. La figure 2 est la représentation de l'évolution de la dureté, ici la résistance à l'enfoncement à une pression donnée, en fonction de la profondeur de la pièce d'acier traitée c'est-à-dire dans l'exemple qui nous concerne avec une teneur de carbone de 0,4 %, et ce, à différents stades. Ainsi le tracé pointillé court donne l'état initial de la pièce. Le tracé alternant des pointillés court et long décrit un état intermédiaire représentatif de la phase IV de la figure 1. Le tracé pointillé long est représentatif de l'état intermédiaire de la phase VI de la figure 1. Et le tracé continu donne l'état final de la pièce. La figure 3 est un schéma du dispositif permettant le traitement thermique par induction bi-fréquence simultanée. La figure 4 est une coupe transversale suivant la ligne A-A de la figure 3. La figure 5 est un ensemble de deux photographies représentant les états métallurgiques obtenues dans la couche superficielle (A) composée de martensite avec austénite résiduelle et dans la sous-couche (B) formée de la martensite revenue. La figure 1, montre l'évolution de la température en fonction du temps, les températures exprimées en degrés Celsius ("C) sont portées en ordonnée et le temps exprimé en secondes est porté en abscisse. La phase I qui débute le procédé permet d'amener une pièce mécanique (6) en acier de dureté homogène HV 250 de la température ambiante, c'est-à-dire entre 10 et 40 degrés Celsius, à la température de transformation d'une structure perlitique en une structure austénitique, sur une profondeur, correspondant à la couche superficielle (3) et à la souscouche (4), la sous-couche profonde (5) n'étant pas touchée. Le chauffage est le fait d'un inducteur moyenne fréquence qui fonctionne entre 8 et 30 kilohertz (kHz). Pour arriver à ce résultat en un temps de 1 seconde, il faut injecter grâce à l'inducteur moyenne fréquence (1) une puissance de l'ordre de 1 kilowatt par centimètre carré (kW/cm2). L'épaisseur des différentes couches variant avec la durée de chauffage, de trempe etlou de la puissance de chauffage, il est donc hypothétique de donner de valeurs précises des épaisseurs des couches. Selon les qualités des pièces mécaniques que l'on désire obtenir avec le procédé de la présente invention, on jouera donc sur ces paramètres, sachant que dans l'exemple cité, on a une sous-couche (4) comprise entre 0,5 et 2,5 millimètres (mm), la couche superficielle (3) se trouvant entre la surface et 0,5 mm et la sous-couche profonde (5) étant sous les deux couches précédentes, c'est-à-dire à une profondeur de plus de 2,5 mm. La phase II qui suit, est un maintien de la température acquise lors de la phase précédente grâce à une puissance de l'inducteur (1) qui reste constante. Cette phase peut durer de 1 à 5 secondes. La phase m est une trempe permettant de ramener la température du métal à une température, où la structure austénitique est remplacée par une structure martensitique en un temps de l'ordre de 1 seconde. L'inducteur moyenne fréquence (1) n'est alors plus alimenté en courant électrique. On utilise comme liquide de trempe de l'eau plus des additifs de trempe. La phase IV est une période de 5 secondes au maximum durant laquelle la pièce (6) reste à la température obtenue lors de la phase m. Lors de ces quatre premières phases, la sous-couche profonde (5) reste à une dureté de HV 250, alors que la couche superficielle (3) et la souscouche (4) sont durcies jusqu'à atteindre la valeur de HV 650 sur acier à 0,4 % de carbone dans l'exemple qui est donné. La phase V, grâce à une puissance due à l'inducteur moyenne fréquence (1) de l'ordre de 500 W/cm2 permet en un délai de I seconde de réchauffer la sous-couche (4) et la couche superficielle (3) à la température de revenu de la martensite. La phase VI a pour but de maintenir ou de diminuer légèrement la température obtenue pendant une durée inférieure à 10 secondes, dans le cas où 10 secondes est la durée totale que peut avoir ce palier, soit en continuant à fournir la même puissance soit en la diminuant de façon à maintenir la température de revenu en fonction de l'acier choisi. La durée de cette phase peut bien entendu être inférieure à 10 secondes, voir même supérieure. Après ces deux phases intermédiaires, la couche superficielle (3) et la sous-couche (4) ont une dureté de HV 450 alors que la sous-couche profonde massique (5) reste à sa dureté initiale. La phase VII a une durée très courte, comprise entre plus de zéro et moins de une seconde, car on applique une puissance importante de l'ordre de 2 à 5 kW/cm2 fournie par l'inducteur haute fréquence (2), qui fonctionne entre 80 et 300 kHz à la couche superficielle (3) uniquement, déjà préchauffée lors des deux phases précédentes. Ceci va permettre d'augmenter la température déjà obtenue lors de la phase précédente jusqu'à la température de formation de l'austénite. Une caractéristique de cette phase est de débuter alors que le palier dû au chauffage moyenne fréquence (1) se déroule simultanément. Ainsi, la phase VII ne doit pas commencer avant que le palier de température de la phase VI ne soit atteint ni après que ledit palier de température ne soit dépassé.Le décalage entre le début de chacune de ces deux phases va dépendre de la massivité de la pièce (6), le refroidissement de la sous-couche intervient avant celui de la couche superficielle sachant que l'idéal est que la sous-couche (4) commence à se refroidir avant que le refroidissement de la couche superficielle (3) soit achevé. Or, le palier qui succède au chauffage haute fréquence (2), voir phases VIII et Ix qui agit sur la couche superficielle (3) ne dure que 1 seconde. Du fait que l'arrêt de l'inducteur moyenne fréquence (1) doit préférentiellement précéder à l'arrêt de l'inducteur haute fréquence (2), , la phase VII devra débuter dans la dernière des dix secondes constituant le palier dû au chauffage moyenne fréquence (1). La phase VIII, entrevue dans la phase précédente a une durée inférieure à 1 seconde, 1 seconde étant la durée totale du palier de maintien de la température atteinte grâce à l'inducteur haute fréquence (2). Lors de celleci, il y a donc, tout comme pour la phase précédente, une simultanéité de fonctionnement entre les deux systèmes de chauffage (1 et 2). C'est l'arrêt du chauffage par l'inducteur moyenne fréquence (1), et donc la fin du palier correspondant, qui clôt cette phase. Néanmoins la durée de cette phase peut être inférieure à 1 seconde, ou même supérieure. La phase IX montre le début du refroidissement de la sous-couche (4) qui n'est plus chauffée par l'inducteur moyenne fréquence (1), et la fin du palier dû à l'inducteur haute fréquence (2), qui a débuté lors de la phase VIII. Ainsi le palier est maintenu en conservant la puissance développée dans la phase VII fournie par l'inducteur haute fréquence (2), pendant une durée qui est le complément de la phase VIII afin que les phases VIII et IX aient une durée totale et maximale de 1 seconde. C'est la fin du palier dû à l'inducteur haute fréquence (2) qui termine cette phase. La phase X est caractérisée par le début du refroidissement dû à l'arrêt de l'inducteur haute fréquence (2) et à la poursuite du refroidissement dû à l'arrêt de l'inducteur moyenne fréquence (1). Ces deux refroidissements sont le fait d'une seconde trempe à l'eau, qui met moins de 1 seconde pour ramener la pièce à la température ambiante. I1 est à noter que seule la couche superficielle est touchée par cette seconde trempe. A l'issue de ces dix phases, on a, comme le montre la figure 2, un état final où la couche superficielle (3) est composée de martensite d'une dureté 11V 650, la sous-couche (4) est constituée de martensite revenue ou sorbite d'une dureté HV 450, et la sous-couche profonde massique (5) est une matrice de perlite et de ferrite qui est à l'état recuit de départ soit à la dureté HV 250 sur un acier mi-dur à 0,4 % de carbone. Dans le cas de pièce métallique (6) de type engrenage, l'épaisseur de la couche superficielle et de la sous-couche (4) doit être supérieure ou égale à la demi-épaisseur des dents formant l'engrenage. La durée totale maximale du cycle est, dans l'exemple donné en référence au dessin de 25 secondes. Celle-ci peut dans le cas extrême où l'on réduirait les temps des phases au maximum se dérouler en moins de 20 secondes. Néanmoins, plus le procédé va durer dans le temps, et plus la dureté des pièces massives augmentera en profondeur. Le même résultat peut être obtenu en augmentant la puissance fournie par l'inducteur, ou en jouant à la fois sur le temps et la puissance. On peut également envisager de chauffer à une plus haute température lors du revenu de la phase V, car cela facilitera d'autant la seconde austénitisation de la couche superficielle (3) due à l'inducteur haute fréquence (2), néanmoins plus la température augmente et plus la dureté de la sous-couche diminue, d'où l'utilité de travailler avec des aciers plus alliés et plus résistants au revenu tels que ceux cités dans le tableau ciaprès. Le procédé qui est très intéressant dans son utilisation mettant en oeuvre des pièces d'acier (6), peut tout aussi bien utiliser de la fonte à matrice perlitique (malléable, ductile, brute de coulée, à graphite lamellaire ou sphéroïdal). Les caractéristiques et les conditions de traitement de certains aciers sont données à titre d'exemple pour mieux comprendre l'effet engendré par le traitement thermique utilisant simultanément deux inducteurs de fréquences différentes. Dureté (11V) Résistance Aders Composition chimique moyenne en surface (MPa) en sous (norme (% poids) après 0,5 à couche après 2secà revenu de 5 à AFNOR) 920"C 10 sec. C Si Mn Cr Va Mo à 500"C à 600"C XC 42 0,42 0,25 0,65 650 900 800 XC 55 0,55 0,25 0,55 750 950 830 42 C4 0,42 0,25 0,70 1,00 650 1300 1150 55 C3 0,55 0,30 0,80 0,80 750 j 1600 1350 50 CV4 0,50 0,25 0,90 1,00 0,12 710 1600 1300 50 CD4 0,50 0,25 0,80 1,00 0,20 710 1650 1350 L'intérêt que les deux systèmes de chauffage débutent l'un après l'autre est que, si les chauffages moyenne (1) et haute (2) fréquences débutaient en même temps, il y aurait une surchauffe de l'interface entre la couche superficielle (3) et la sous-couche (4) de la pièce (6) qui subirait ainsi les deux échauffements. D'autre part si le chauffage haute fréquence (2) commençait bien après l'arrêt du chauffage moyenne fréquence (1), le refroidissement de la pièce (3) ayant deja commencé il faudrait plus d'énergie, de ce fait le procédé durerait plus longtemps. Néanmoins on peut concevoir l'arrêt de l'inducteur moyenne fréquence au moment ou l'inducteur haute fréquence entre en action. Le dispositif étant constitué de deux bobines montées concentriquement l'une dans l'autre, il faut que le bobinage soit dans le même sens afin que les courants induits ne se contrarient pas. REVENDICATIONS I) Procédé de traitement thermique par induction bi-fréquence d'une pièce (6) en acier, caractérisé en ce qu'il comprend deux opérations de chauffage successives - une première opération de chauffage dans la zone de formation de martensite revenue, puis une première trempe pour amener la pièce (6) d'acier à la température ambiante, - une seconde opération de chauffage séquentiel par deux inducteurs différents, le premier par induction moyenne fréquence (1) jusque dans la zone de formation de martensite revenue, suivie d'un palier de maintien à la température obtenue, et le second par induction haute fréquence (2) jusque dans la zone de formation de l'austénite, puis une seconde trempe martensitique. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de la deuxième opération de chauffage l'inducteur haute fréquence (2) entre en activité avant la fin du palier dû à l'inducteur moyenne fréquence (1) et finit après la fin dudit palier 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de l'opération de chauffage initiale, on chauffe la sous-couche (4) et la couche superficielle (3) pendant une durée de 1 seconde jusqu'à la température de formation de l'austénite et de maintenir cette température pendant 1 à 5 secondes. 4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que lors de la première trempe on refroidit la sous-couche (4) et la couche superficielle (3) pendant une durée comprise entre 1 et 5 secondes jusqu'à la température ambiante et que l'on maintient à cette température avant de procéder à l'opération suivante. 5) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier système de chauffage par induction moyenne fréquence permet de chauffer la sous-couche (4) et de préchauffer la couche superficielle (3) jusqu'à la température d'obtention de la martensite revenue pendant une durée de 1 seconde, et que l'on maintient ce palier pendant 10 secondes au maximum au maximum. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le deuxième système de chauffage par induction haute fréquence (2) se déroule simultanément au fonctionnement du premier système de chauffage (I), et que l'on chauffe la couche superficielle (3) pendant une demie seconde à la température d'obtention d'austénite et que l'on maintient cette température pendant 1 seconde au maximum. 7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le palier de maintien est stable à la température obtenue par le premier système de chauffage moyenne fréquence (1) ou est décroissant. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que lors de la seconde trempe, on refroidit la sous-couche (4) et la couche superficielle (3) jusqu'à la température ambiante pendant une durée inférieure à 1 seconde. 9) Procédé selon les revendications 4 ou 7, caractérisé en ce qu'on utilise de l'eau comme liquide de trempe associé d'un additif de trempe. 10) Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les durées de chauffage et de refroidissement peuvent être augmentées ou réduites 11) Dispositif d'utilisation du procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les deux moyens de chauffage constituent un bobinage composé de deux bobines concentriques pour pièces axi symétriques, l'une des bobines entourant l'autre. 12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la bobine intérieure induit du courant haute fréquence (2), et la bobine extérieure induit du courant moyenne fréquence (1).