Brevet FR2718463A1 — publié le 19951013

L'invention concerne un acier inoxydable pour durcissement par cémentation à l'azote. Les aciers de cémentation sont, pour la plupart, faiblement alliés et contiennent, par exemple, 0,15 à 0,20 % en poids de carbone. Par cémentation superficielle au carbone jusqu'à 0,5 à 1,0 %, en poids, de carbone, suivie d'une trempe, on réalise des pièces de construction à coeur tendre avec une couche superficielle dure, résistant à l'usure, qui est soumise à des contraintes de pression internes. Cet état comportant des contraintes internes conduit à une augmentation de la résistance statique et cyclique de pièces de construction, comme, par exemple, des pièces de réducteur ou de paliers de roulement. Dans des domaines l'utilisation déterminés, il existe une demande de pièces de construction inoxydables. Ainsi, par exemple, des paliers de roulement pour la construction aéronautique sont fabriqués à partir d'aciers inoxydables trempés à coeur, comme, par exemple, du X 105 CrMo 17 (AISI 440 C). Pour augmenter la résistance statique et cyclique de pièces de construction inoxydables, on a mis au point un acier de cémentation inoxydable (voir EP-A-0 411 931 Al), qui comporte les teneurs d'alliage suivantes (% en poids): C 0,05 - 0,1 Mn 5 1,5 Si s 1 Cr 11 à 15 Mo 1 à 3 Ni 1,5 à 3,5 Co 3 à 8 V 0,1 à 1 N s 0,04 Le chrome et le molybdène donnent à cet acier son caractère inoxydable. Le manganèse, le nickel et le cobalt servent, de façon connue, à réduire la ferrite ô à coeur, et le vanadium procure la résistance au revenu. Du fait de la teneur élevée de l'alliage, la dureté de cristaux mixtes dans le coeur augmente de telle façon que, par rapport à des aciers de cémentation faiblement alliés, une teneur en carbone plus faible est nécessaire pour obtenir la dureté à coeur. L'azote est, de préférence, limité à 0,002 % en poids. Les pièces de construction réalisées dans cet acier sont durcies par cémentation au carbone. Dans le document DE-C-40 33 706 C2, on décrit un procédé de traitement thermique d'aciers inoxydables martensitiques. Dans le cas de ce procédé, la carburation est remplacée par une nitruration. L'azote, comme le carbone, est capable d'accroître la dureté superficielle, mais il améliore la résistance chimique de la martensite, alors que le carbone l'abaisse. La dureté de cémentation à l'azote permet donc d'obtenir la résistance à la corrosion maximale, de la couche superficielle, si cette couche est pratiquement sans carbone. Le but de la présente invention est de créer un acier martensitique inoxydable pour durcissement par l'azote. Ce problème est résolu par une composition comportant les teneurs d'alliage suivantes (% en poids) C s 0,03 N 0,05 à 0,18 Si 1,0 Mn 1,5 Co 1,0 à 4,0 Cr 11 à 16 Ni 1,0 à 3,0 Mo 0,5 à 2,5 V s 0,4. Pour une dureté à coeur plus faible, on préfère les teneurs d'alliage suivantes (% en poids): C s 0,02 N 0,05 à 0,11 Si s 0,3 Mn s 0,3 Co 2,0 à 3,0 Cr 11,5 à 13,5 Ni 1,5 à 2,8 Mo 1,0 à 2,0 V 0,1 à 0,2 Pour une dureté à coeur plus forte, on préfère les teneurs d'alliage suivantes (% en poids): C 5 0,02 N 0,12 à 0,18 Si s 0,5 Mn s 0,5 Co 1,0 à 2,0 Cr 11,5 à 13,5 Ni 1,2 à 2,5 Mo 1, 0 à 2,0 V 0,1 à 0,2 L'acier selon l'invention est particulièrement avantageux pour la réalisation des pièces inoxydables pour paliers à roulement, vis à billes, roues dentées et arbres comportant des dentures ou des pistes de roulement intégrées. Si on considère la demande de brevet EP-A-0 411 931 Ai, le centre de la présente invention consiste dans le remplacement, dans l'alliage, du carbone par de l'azote, d'une façon qui correspond au remplacement de la carburation par la nitruration lors du durcissement de l'acier. La première mesure consiste alors à renoncer au carbone pour obtenir, au cours de l'opération de durcissement à l'azote, la résistance la plus grande possible à la corrosion. On limite donc la teneur en carbone du nouvel acier à la teneur basse s 0,03 % en poids, de préférence s 0,02 % en poids, que l'on peut obtenir avec des coûts supportables. Il en résulte une perte indésirable de dureté à coeur et une augmentation de la ferrite ô. La deuxième mesure consiste à compenser ces modifications par un apport d'azote. De ce fait, la dureté à coeur revient, dans la zone souhaitée et la ferrite 6 est rendue instable. Le nouvel acier est rendu inoxydable par la teneur de 11 à 16 %, en poids, du chrome et de 0,5 à 2,5 %, en poids, du molybdène. Le silicium est limité à s 1 % en poids. Pour obtenir une structure complètement martensitique à coeur, des éléments déstabilisants, comme l'azote, le manganèse, le nickel et le cobalt doivent être opposés à ces éléments stabilisateurs de la ferrite ô. L'azote détermine de façon décisive le niveau de dureté à coeur et est limité à 0,05 à 0,18 % en poids. Le manganèse et le nickel procurent une teneur résiduelle en austénite à la surface durcie par cémentation. Ceci vaut également pour le cobalt, pour une part plus faible. Les teneurs de ces éléments sont fixées à 5 1,5 % en poids pour le manganèse, à s 1 à 3 % en poids pour le nickel et à s 1 à 4 % en poids pour le cobalt. On ajoute jusqu'à 0,4 %, en poids, de vanadium si l'acier doit atteindre une plus forte résistance au revenu. On obtient une structure à coeur largement dépourvue de ferrite 6 si on respecte la relation suivante: (Cr) + 1,4 (Mo) + 1,2 (Si) + 1,8 (V) - 25 (C) - 17 (N) - 1,2 Ni - 0,6 (Co) - 0,2 Mn - 10 s O, les expressions (Cr), (Mo) etc représentant les pourcentages en poids des éléments correspondants. L'acier selon l'invention est fabriqué par coulée en lingots et avec une teneur en azote supérieure ou égale à 0,12 % en poids, de préférence par un procédé par pression ou de métallurgie des poudres. Après formage à chaud et recuit pour obtenir une dureté inférieure ou égale à 270 HV30, l'acier peut être usiné. Des pièces de construction, proches de leur forme définitive, sont soumises à une nitruration superficielle dans de l'azote gazeux ou dans un mélange de gaz contenant de l'azote, à une température comprise entre 1050 et 1200 C, de préférence entre 1100 à 1150 C, et sous une pression partielle d'azote comprise entre 0,5 et 3 bars, et subissent un durcissement direct, simple ou double, suivi d'un refroidissement à basse température. Ce traitement est suivi par un revenu à une température comprise entre 150 et 500 C, si bien que le maximum secondaire se fixe entre 430 et 470 C. Dans le cas de pièces à tolérances étroites, et de pièces réclamant une qualité de surface élevée, une finition par rodage est effectuée ensuite. On décrira ci- après, à l'aide d'exemples d'exécution, l'acier inoxydable nitruré, selon l'invention, et on le comparera avec des aciers en variante carburés, en se reportant au dessin annexé sur lequel: La figure 1 représente l'influence de la teneur en azote sur la dureté à coeur de l'acier selon l'invention. La figure 2 donne le résultat du durcissement par cémentation à l'azote pour l'acier A selon l'invention, a): variation de la teneur en azote et de la dureté dans la couche superficielle, b): variation des contraintes internes, déterminées par radiographie, dans la couche superficielle. La figure 3 représente la densité de courant passif, servant à mesurer le degré de corrosion dans l'acide sulfurique dilué: Acier A selon l'invention, durci par cémentation à l'azote, Acier B connu, durci par cémentation au carbone, Acier C connu, cémenté à coeur. La figure 4 représente l'influence de l'alliage comportant 0,3 %, en poids, de vanadium sur la trempe secondaire dans la couche superficielle de l'acier selon l'invention, après durcissement par durcissement par cémentation à l'azote. Sur la figure 1, on a représenté l'influence de la teneur en azote sur la dureté à coeur de l'acier selon l'invention (a) après nitruration, trempe directe et refroidissement à basse température, ainsi que (b) après le revenu à un maximum secondaire de 450 C. La dureté superficielle atteint, pour (a), 570 à 630 HV 0,1, et, pour (b), 670 à 730 HV 0,1. Moins de 0,05 %, en poids, d'azote abaisse la dureté à coeur à une valeur impropre, par exemple, pour un palier de roulement. Plus de 0,18 %, en poids, d'azote diminue la ténacité à coeur et réduit la différence souhaitée entre la dureté à coeur et la dureté superficielle à une valeur trop faible. Entre 0,05 et 0,18 %, en poids, d'azote, on obtient un écart présentant une dureté à coeur de plus de 100 HV 30. Cet écart peut être réduite, en subdivisant la teneur en azote, en (c) 0,05 à 0,11 %, en poids, et en (d) 0,12 à 0,18 % en poids. La variante (c) est appropriée pour des pièce de construction comportant une dureté à coeur plus faible, et la variante (d) pour des pièces de construction comportant une dureté à coeur plus élevée. La figure 2 donne, de nouveau, le résultat du durcissement par cémentation à l'azote pour l'acier A selon l'invention, dont la composition chimique se trouve encore plus en dessous de celle des aciers connus B et C. Il ressort de la figure 2a que la nitruration permet d'obtenir une teneur en azote d'environ 0,5 %, en poids, dans la couche superficielle, teneur qui tombe, vers l'intérieur, à la valeur à coeur de 0,11 % en poids. La dureté superficielle diminue aussi jusqu'à la dureté à coeur, en fonction de la distance à la couche superficielle. Le revenu, au maximum secondaire de durcissement à 450 C, produit une augmentation de la dureté. La figure 2b représente l'évolution des contraintes internes, déterminées par rayons X, dans la couche superficielle nitrurée, après les différentes étapes du traitement thermique, comme la trempe directe, le refroidissement à basse température et le revenu. Les contraintes internes souhaitées, lors de la cémentation, dans la couche superficielle, sont également atteintes avec le durcissement par cémentation à l'azote. La figure 3 montre l'avantage de l'acier selon l'invention en ce qui concerne sa résistance à la corrosion, qui peut être représentée, par exemple, par la densité de courant passif ip: Plus ip est petit, plus élevée est la résistance. On a comparé l'acier inoxydable nitruré A selon l'invention, un acier inoxydable connu B cimenté au carbone et l'acier inoxydable C pour palier de roulement, trempé à coeur (X 105 CrMo 17 ou AISI 440 C), comportant les composants d'alliages suivants, en % en poids: Acier A Acier B Acier C Carbone 0,02 0,08 1,03 Azote 0,11 - - Silicium 0,2 0,37 0,72 Manganèse 0,2 0,67 0,58 Chrome 13,2 13,0 16,9 Molybdène 1,6 1,77 0,55 Nickel 2,0 2,59 - Cobalt 2,2 5,35 - Vanadium 0,12 0,58 - Alors que B, dans le test de corrosion (ln.H2SO4), présente une résistance à la corrosion sensiblement comparable à C, l'acier A selon l'invention, aussi bien à l'état trempé qu'à l'état revenu, est meilleur sensiblement d'un ordre de grandeur. A est, après le revenu, encore plus résistant que C après le trempe. Le maximum de dureté secondaire de l'acier selon l'invention peut être augmenté, et déplacé vers des températures de revenu supérieures par le vanadium. Sur la figure 4, on peut voir l'influence de 0,3 %, en poids, de vanadium. La résistance au revenu, augmentée par le vanadium, de la couche superficielle nitrurée à 0,5 % en poids s'abaisse, avec une plus grande résistance thermique. Ainsi, la dureté de l'acier au vanadium est encore la même après un traitement thermique de 1000 h à 370 C. En même temps que la résistance, comparablement bonne, à la corrosion après le revenu, on obtient ainsi des propriétés essentiellement meilleures de l'acier A, soumis alternativement à la corrosion humide et à une température de travail s'élevant jusqu'à environ 350 C. REVENDICATIONS 1. Acier inoxydable pour durcissement par cémentation à l'azote, caractérisé en ce qu'il comporte les teneurs d'alliage suivantes (% en poids): C s 0,03 N 0,05 à 0,18 Si s 1,0 Mn s 1,5 Co 1,0 à 4,0 Cr 11 à 16 Ni 1,0 à 3,0 Mo 0,5 à 2,5 V 2. Acier suivant la revendication 1, comportant une dureté à coeur plus faible, caractérisé en ce qu'il contient les teneurs d'alliage suivantes (% en poids): C s 0,02 N 0,05 à 0,11 Si 5 0,3 Mn s 0,3 Co 2,0 à 3,0 Cr 11,5 à 13,5 Ni 1,5 à 2,8 Mo 1, 0 à 2,0 V 0,1 à 0,2 3. Acier suivant la revendication 1, comportant une dureté à coeur élevée, caractérisé en ce qu'il contient les teneurs d'alliage suivantes (% en poids): C s 0,02 N 0,12 à 0,18 Si s 0,5 Mn s 0,5 Co 1,0 à 2,0 Cr 11,5 à 13,5 Ni 1,2 à 2,5 Mo 1, 0 à 2,0 V 0,1 à 0,2 4. Utilisation d'un acier suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour réaliser des pièces inoxydables pour paliers à roulement, vis à billes, roues dentées et arbres comportant des dentures ou des pistes de roulement5 intégrées.