Brevet FR2717502A1 — publié le 19950922

PROCEDE DE TRAITEMENT THERMOCHIMIQUE D'ELEMENTS DE CONSTRUCTION A PAROI MINCE La présente invention concerne un procédé de traite- ment thermochimique d'éléments de construction à paroi min- ce, comme des logements à roulement, des douilles, des dis- ques ou des manchons constitués d'aciers d'emboutissage, d'aciers de cémentation, d'aciers de traitement et d'aciers pour paliers à roulement, dans lesquels une zone marginale de l'élément de construction à paroi mince est enrichie en azote et en carbone et ensuite refroidie. Un tel procédé pour augmenter la résistance à l'usure est la nitrocarburation. Il s'agit d'un procédé thermochi- mique pour enrichir en azote et en carbone la couche margi- nale d'une pièce à usiner, avec formation d'une couche de liaison, une zone de diffusion enrichie essentiellement en azote étant formée au-dessous de la couche de liaison (Be- ratungsstelle fur Stahlverwendung, 447 Nitrieren und Nitro- carburieren, 2ème édition 1983). D'après l'état de la technique qu'on connaissait jus- qu'à maintenant, on effectuait la nitrocarburation aussi bien au- dessous qu'au-dessus dudit point eutectoïde de 590 C. Dans le premier cas, l'inconvénient est qu'en raison de la température relativement basse, certes il n'y a pas de décomposition eutectoïde de l'austénite azotée en brau- nite, mais un temps relativement long de traitement est nécessaire. Dans le deuxième cas, la formation de braunite est empêchée par un refroidissement rapide/trempe. La structure austénitique ou martensitique qui est formée dans ce cas a toutefois l'inconvénient qu'on doit la faire reve- nir lors d'une étape ultérieure pour empêcher sa fragilisa- -2- tion (DE 32 25 686 C 3). En outre, les parties qui ont été durcies grâce à une transformation martensitique subissent un retard considérable, de sorte qu'en raison de la préci- sion nécessaire des formes, une transformation mécanique ultérieure est nécessaire, qui enlève de nouveau, au moins partiellement, la couche superficielle extérieure résistan- te à l'usure. De même, les parties durcies par transforma- tion martensitique doivent, en outre, être nettoyées, étant donné qu'elles doivent subir une trempe dans un bain d'hui- le. De même, tous les procédés ont en commun que les pro- priétés de résistance à l'usure ne sont pas appropriées à chaque cas d'utilisation, comme c'est le cas, par exemple, avec les éléments de construction soumis à des contraintes tribologiques élevées, comme les coulisseaux à fermeture hydraulique dans la commande d'une soupape d'un moteur à combustion interne. Selon l'état de la technique, on a uti- lisé le procédé de nitrocarburation, avec ses inconvé- nients, aussi bien pour des éléments massifs que pour des éléments à paroi mince. Par conséquent, l'objectif de l'invention est de créer un procédé de traitement thermochimique pour des éléments de construction à paroi mince, qui garantisse une résistan- ce suffisante à l'usure pour des éléments de construction soumis à des contraintes tribologiques élevées, d'une part, et qu'on puisse mettre en oeuvre dans des conditions écono- miques, d'autre part. On atteint cet objectif, selon l'invention, en effec- tuant une nitruration de la zone marginale à une températu- re de 590 à 700 C, de sorte que, dans la zone de diffusion, une couche intermédiaire contenant 1 à 3 % en poids d'azote et au plus 0,8 % en poids de carbone est formée, qui, lors- qu'elle est refroidie à la température ambiante à une vitesse de 50 à 100 C/minute, dans une atmosphère de gaz protecteur, forme une phase constituée d'austénite azotée et/ou de braunite, qui est située entre la couche de liai- -3- son et la structure de base. L'effet de cette couche intermédiaire formée d'austé- nite azotée et/ou de braunite, qui a une épaisseur valant au moins 30 % de la couche de liaison, n'est pas supprimé dans des éléments de construction à paroi mince, en raison de la section transversale résiduelle qui est faible par rapport à cette couche intermédiaire, et conduit à une augmentation de la résistance dynamique et statique, sans aucun autre traitement ultérieur, contrairement aux procé- dés connus de l'état de la technique. Autrement dit, con- trairement à ces procédés, dans des éléments de construc- tion à paroi épaisse, l'effet d'augmentation de la solidi- té, qui est conféré par la couche intermédiaire, est ren- forcé par la quantité élevée, plus que proportionnelle, de la section transversale résiduelle. A des vitesses de refroidissement supérieures à 50 C/ minute, l'austénite azotée est tellement surrefroidie que cette modification de la structure apparaît même à la tem- pérature ambiante dans les parties fortement azotées, pro- ches de la surface, de la zone de diffusion, c'est-à-dire que cette couche intermédiaire constituée d'austénite azo- tée et/ou de braunite est formée entre la couche de liaison et la structure de base. Un avantage supplémentaire de ce procédé selon l'in- vention est que la durée du traitement thermique, qui est habituellement de plusieurs heures, peut être abaissée à une valeur de moins d'une heure. De plus, de tels éléments traités au moyen d'un procédé thermochimique n'ont pas besoin d'être nettoyés ni de subir un finissage mécanique ultérieur pour le maintien de la stabilité dimensionnelle. Selon un perfectionnement de l'invention, on peut effectuer la nitruration dans un gaz, un plas- ma ou des sels fondus, la nitrocarburation en phase gazeuse devant se dérouler dans un mélange gazeux d'ammoniac, de dioxyde de carbone, d'azote et de gaz -4- endothermique ou exothermique. On explique l'invention de façon plus détaillée en se référant à l'exemple suivant de réalisation. Dans le dessin: - la figure 1 montre la structure en couches d'une pièce à usiner soumise à une nitrocarburation selon l'état de la technique; et la figure 2 montre la structure en couches d'une pièce à usiner soumise à une nitrocarburation d'après le procédé selon l'invention. On soumet des logements pour paliers à roulement, fabriqués en acier du type St3, à différents traitements thermochimiques et ensuite, on les soumet à des essais pour déterminer la solidité de l'âme. A cet effet, on charge les âmes en leur centre, jusqu'à ce qu'elles plient, dans la direction périphérique du logement. D'abord, comme échantillon de comparaison, on soumet un logement à une nitrocarburation à 580 C et ensuite, on le refroidit. La structure en couches de la zone marginale de celui-ci est représentée schématiquement sur la figure 1. La couche de liaison 1, qui est située à l'extérieur et composée de E-nitrures, de y-nitrures, de carbures et de carbonitrures, est suivie d'une zone de diffusion 2 qui est formée de nitrures, de carbures, de carbonitrures et de ferrite. Dans ce cas, les rapports dimensionnels entre la couche de liaison 1 et la zone de diffusion 2 sont tels que l'épaisseur de la couche de liaison vaut jusqu'à 20 pm, tandis que la zone de diffusion peut avoir une épaisseur de quelques dixièmes de millimètre. La couche de diffusion 2 est suivie du matériau de départ 4. On soumet deux autres logements à une nitrocarburation à 630 C et ensuite, on les refroidit, dans un gaz protec- teur, à des vitesses diverses, mais nettement plus vite que pour le logement de comparaison. Il en résulte la structure en couches de la zone mar- -5- ginale, qui est représentée schématiquement sur la figure 2. Une couche intermédiaire 3 est formée entre la couche de liaison 1 et le matériau de départ 4, qui, selon les condi- tions de refroidissement, est une couche d'austénite azotée et/ou une couche de braunite. La couche de liaison 1 a une épaisseur comprise entre 12 et 15 pm, tandis que la couche intermédiaire 3, qui est formée d'austénite azotée et/ou de braunite, a une épaisseur d'environ 7 wm. Une comparaison de la solidité à long terme, avec nor- malisation de la même section transversale de l'âme, montre que celle-ci est de 8,4 N pour le logement soumis à une ni- trocarburation selon l'état de la technique, tandis que pour les logements traités selon l'invention, elle est de 14,0 N pour les logements ayant subi une nitrocarburation avec une couche de braunite, et de 14,2 N pour les loge- ments ayant subi une nitrocarburation avec une couche d'austénite azotée. 2717502- REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement thermochimique d'élé- ments de construction à paroi mince, comme des logements pour paliers à roulement, des douilles, des disques ou des manchons constitués d'aciers d'emboutissage, d'aciers de cémentation, d'aciers de traitement et d'aciers pour pa- liers à roulement, dans lesquels une zone marginale de l'élément de construction à paroi mince est enrichie en azote et en carbone et ensuite refroidie, caractérisé en ce qu'on effectue une nitruration de la zone marginale à une température de 590 à 700 C, de sorte que, dans la zone de diffusion (2), une couche intermédiaire (3) contenant de 1 à 3 % en poids d'azote et au plus 0,8 % en poids de carbone est formée, qui, lorsqu'elle est refroidie à la température ambiante à une vitesse de 50 à 100 C/minute, dans une atmo- sphère de gaz protecteur, forme une phase constituée d'aus- ténite azotée et/ou de braunite, qui est située entre la couche de liaison (1) et la structure de base (4). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue la nitruration dans un gaz, un plasma ou des sels fondus. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, ca- ractérisé en ce qu'on effectue la nitrocarburation en phase gazeuse dans un mélange gazeux d'ammoniac, de dioxyde de carbone, d'azote et de gaz endothermique ou exothermique.