Brevet FR2765890A1 — publié le 19990115

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE PIECE EN ACIER CEMENTEE OU CARBONITRUREE ET ACIER POUR LA FABRICATION DE CETTE PIECE La présente invention concerne la fabrication de pièces en acier dont au moins une partie de la surface est durcie par cémentation ou carbonitruration, suivi d'une trempe à l'huile ou au gaz. De nombreuses pièces de mécaniques en acier, telles que, par exemple, les engrenages, sont durcies en surface par cémentation ou carbonitruration. Pour cela, les pièces sont maintenues dans une atmosphère riche en carbone ou en carbone et en azote à une température supérieure à 900 C pendant quelques heures, de façon à enrichir l'acier en carbone ou en carbone et en azote sur une certaine profondeur sous la surface, par diffusion de ces éléments à partir de la surface, puis, les pièces sont trempées à l'huile froide, tiède ou chaude, ou au gaz, de façon à durcir la surface. La cémentation ou la carbonitruration peut être effectuée également à une température supérieure à 1000 C, on dit alors qu'il s'agit d'une cémentation ou d'une carbonitruration à haute température. Pour fabriquer de telles pièces on utilise des aciers contenant de 0,15 % à 0,35 % de carbone, alliés au chrome, ou alliés au chrome et au molybdène, ou encore, alliés au chrome et au manganèse. Cette technique qui permet d'obtenir une dureté élevée en surface et au voisinage de celle ci, et qui permet, également, d'obtenir de bonnes caractéristiques mécaniques au coeur des pièces, présente cependant l'inconvénient d'engendrer des déformations pouvant conduire au rebut des pièces ou nécessitant des usinages supplémentaires coûteux. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un moyen pour fabriquer des pièces en acier dont au moins une partie de la surface est durcie par cémentation ou par carbonitruration notamment à haute température. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce de mécanique en acier selon lequel on fabrique une ébauche de pièce en acier et on effectue un traitement de cémentation ou de carbonitruration notamment à haute température d'au moins une partie de la surface de l'ébauche de la pièce. Selon ce procédé, la composition chimique de l'acier dont est constitué la pièce, comprend, en poids: 0,15% 2 2765890 0% 0% 0% 0% P éventuellement, jusqu'à 0,02 % de tellure, jusqu'à 0,04 % de sélénium, jusqu'à 0,07 % de plomb, jusqu'à 0,005 % de calcium, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. De plus, la composition chimique de l'acier est ajustée pour que la courbe JOMINY de l'acier soit telle que: HRC 39HRC 31 HRC et pour que les valeurs moyennes J3m, Jîlm et J25m de cinq essais JOMINY soient telles que: IJ11l-J3mx 14/22-J25mx8/221 0,2% 0,05% 0,003% 0% 0% P Et, mieux encore, cette composition chimique est telle que: 0,21% 0,1% 3 2765890 1,1% 0,005 % 0% 0,02% P L'invention concerne également un acier de cémentation dont la composition chimique est celle qui vient d'être indiquée; cet acier de cémentation ayant une courbe JOMINY telle que: HRC 39HRC 31HRC limitative, et illustrée par des exemples. Les inventeurs ont constaté de façon nouvelle et inattendue, que les déformations engendrée par la trempe qui est effectuée en fin de traitement de cémentation ou en fin de carbonitruration pouvaient être considérablement atténuées, voire supprimées, à condition d'utiliser, pour fabriquer la pièce, un acier dont la courbe JOMINY ne présente pratiquement pas de points d'inflexion, contrairement aux courbes JOMINY des aciers utilisés habituellement pour cet usage. Plus précisément, ils ont constaté qu'il était souhaitable d'utiliser un acier contenant - de 0,15 % à 0,35 % de carbone pour que l'acier soit facilement usinable, et pour obtenir une ténacité suffisante dans les parties non cémentées ou non carbonitrurées de la pièce; - jusqu'à 0,6 % de silicium pour assurer une désoxydation suffisante de l'acier; 4 2765890 - des éléments d'alliage tels que le manganèse, le chrome, le molybdène et le nickel, en des teneurs telles que leur somme reste inférieure à 5 % de façon à apporter une trempabilité suffisante, ajuster la forme de la courbe JOMINY et ajuster les propriétés mécaniques de la pièce tant à coeur que dans les zones cémentées ou carbonitrurées; - jusqu'à 0,1 % d'aluminium pour compléter la désoxydation et contrôler le grain; - moins de 0,5 %, de cuivre, qui est considéré comme une impureté qui tend à diminuer la ductilité et la ténacité des zones non cémentées ou non carbonitrurées; -jusqu'à 0,15 % de soufre pour améliorer l'usinabilité; moins de 0,03 % de phosphore qui est une impureté défavorable à la ductilité et à la ténacité. L'acier peut contenir, en outre, jusqu'à 0,02 % de tellure, jusqu'à 0,04 % de sélénium, jusqu'à 0,07 % de plomb, jusqu'à 0,005 % de calcium, pour améliorer l'usinabilité. Le reste de la composition est du fer et des impuretés résultant de l'élaboration La composition chimique est ajustée pour que la courbe JOMINY de l'acier soit telle que: HRC 39HRC 31 HRC et pour que les valeurs moyennes J3m, J11m et J25m de cinq essais JOMINY soient telles que: IJm - J3mx13/22-J25mx 8 / 221 La courbe JOMINY, est une courbe qui caractérise la trempabilité de l'acier. Elle est obtenue en mesurant la dureté le long d'une génératrice d'une éprouvette cylindrique trempée par un jet d'eau arrosant une de ses extrémités. La dureté mesurée à une distance de x mm de l'extrémité arrosée est appelée Jx. Cet essai est bien connu de l'Homme du Métier. Il présente cependant la caractéristique d'être naturellement assez dispersé. C'est pour cela que la forme de la courbe JOMINY est caractérisée, ici, d'une part par des fourchettes de valeur pour les points J3, J11 et J25, et par la relation: IJ11m - J3m x 13 /22 - J25m x 8 / 221 2765890 intervenir les moyennes de cinq essais différents, effectués avec le même acier. Dans cette relation, les barres verticales sont le symbole connu en lui même de la valeur absolue. La relation, elle même, combinée avec la relation J3m - J15m ou De telles courbes JOMINY peuvent être obtenues notamment avec un acier conforme à ce qui vient d'être défini, mais dont la composition chimique comprend, plus précisément, en poids: - de 0,2 % à 0,26 %, et de préférence, de 0,21 % à 0,25 % de carbone pour avoir une dureté pas trop grande dans les pièces avant cémentation ou carbonitruration, et pour obtenir une bonne aptitude à la cémentation ou à la carbonitruration; - de 1 % à 1,6 %, et de préférence de 1,1 % à 1,5 % de manganèse pour obtenir une bonne santé interne, pour fixer le soufre, et pour, en combinaison avec le chrome et le molybdène, ajuster la trempabilité de façon à obtenir une courbe JOMINY satisfaisante; - de 0,05 % à 0,5 %, et de préférence, de 0,1 % à 0,45 % de silicium; - de 0,4 % à 1,5 % de chrome, et de préférence, de 0,9 % à 1,4 %, pour durcir la couche cémentée ou carbonitrurée, et en combinaison avec le manganèse et le molybdène, ajuster la trempabilité de façon à obtenir une courbe JOMINY satisfaisante; - de 0,08 % à 0,27 %, et de préférence, de 0,09 % à 0, 26 % de molybdène, pour durcir la couche cémentée ou carbonitrurée, contribuer à augmenter la résistance à l'oxydation, et, en combinaison avec le manganèse et le chrome, ajuster la trempabilité de façon à obtenir une courbe JOMINY satisfaisante; la limite inférieure correspond à la valeur minimale de la teneur en molybdène pour que cet élément ait un effet significatif; - de 0 % à 0,6 % de nickel pour améliorer la tenue au choc de la pièce. De préférence, le teneur en cuivre reste inférieure à 0,3 %, la teneur en soufre est comprise entre 0,02 % et 0,1 %, et il est mieux qu'elle reste inférieure à 0,09 %, la teneur en aluminium est comprise entre 0, 003 % et 0,06 %, et il est préférable qu'elle soit comprise entre 0,005 % et 0,05 %. Comme indiqué ci dessus, I'acier peut contenir en outre un ou plusieurs éléments pris parmi le tellure, le sélénium, le plomb et le calcium. 6 2765890 Pour fabriquer une pièce suivant l'invention, on fabrique avec un acier conforme à l'invention une ébauche de pièce qu'on cémente ou qu'on carbonitrure à haute température et qu'on trempe à l'huile ou au gaz, I'huile pouvant être froide, tiède ou chaude. L'ébauche de pièce peut être fabriquée, par exemple, par forgeage et par usinage. A titre d'exemple, on a réalisé des pièces avec cinq aciers selon l'invention, dont les compositions chimiques étaient: C Mn Si S P Ni Cr i Mo Cu AL A 0,23 1,25 0,27 0,028 0,018 0,2 1,15 0,1 0,14 0, 028 B 0,24 1,4 0,4 0,05 0,02 0,25 1,0 0,24 0,25 0, 04 C 0,21 1,35 0,15 0,07 0,025 0,35 1,25 0,18 0,2 0, 01 D 0,21 1,27 0,25 0,03 0,02 0,21 1,12 0,2 0,14 0, 005 E 0,23 1,27 0,27 0,031 0,014 0,197 1,1 0,214 0,137 0, 016 o10 Les courbes JOMINY de ces aciers étaient telles que: (duretés en HRC) [A B C [D E J3 47,8 49,4 46,5 45,7 46,8 J7 45,5 48,5 45,4 45 45,8 Jl 41,6 45,6 41,8 45 43,1 J15 39,1 43,3 39,4 43,1 39,4 J25 34,3 39,2 34,9 37,8 34,2 I J11m - J3m x 14/22 - J2sm x 8 /221 1,29 0,09 0,48 2,17 0,88 J3m - J15m 8,7 6,1 7,1 2,6 7,4 Après cémentation à 995 C pendant 10 heures et trempe à l'huile tiède à 98 C, les pièces ne présentaient pas de déformations nécessitant un usinage supplémentaire. De plus, le cémentation était caractérisée par une teneur en carbone de 0,94 % à 0,1 mm sous la surface. A titre de comparaison, on a réalisé, dans les mêmes conditions, des pièces identiques, en acier du type 27MC5 et 29MC5 conformes à l'art antérieur. Les compositions de ces aciers étaient: 7 2765890 C | Mn Si_ S P Ni Cr Mo Cu AL 27MC5 0,23 1,25 0,27 0,028 0,018 0,2 1,15 0,1 0,14 0, 028 29MC5 0,23 1,27 0,27 0,031 0,014 0,197 1,1 0,214 0,137 0,016 et les courbes JOMINY étaient telles que: (duretés en HRC) 27MC5 29MC5 J3 48,8 49,7 J7 45,8 47,3 J11 40,3 43,2 J15 36,6 39,6 J25 32,7 35,1 J11m - J3mx14/22 J25mX8/221 2,6 1,19 J3m - J15m 12,2 10,1 Après cémentation, les pièces ont nécessité une reprise d'usinage. De plus, la teneur en carbone dans la couche cémentée, à 0,1 mm sous la surface, n'était que de 0,8 %. Ce dernier résultat, montre que, outre la plus faible sensibilité aux déformations, I'acier selon l'invention se cémente mieux que l'acier selon l'art antérieur. 8 2765890 REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'une pièce de mécanique en acier selon lequel on fabrique une ébauche de pièce en acier et on effectue un traitement de cémentation ou de carbonitruration éventuellement à haute température d'au moins une partie de la surface de l'ébauche de la pièce, caractérisé en ce que la composition chimique de l'acier dont est constitué la pièce comprend, en poids: 0,15% 0% 0% 0% 0% P éventuellement, jusqu'à 0,02 % de tellure, jusqu'à 0,04 % de sélénium, jusqu'à 0,07 o10 % de plomb, jusqu'à 0,005 % de calcium, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la composition chimique étant ajustée pour que la courbe JOMINY de l'acier soit telle que: HRC 39HRC 31 HRC 9 2765890 0,2% 0,05% 0,003% 0% 0% P 4 - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que: 0,21% 0,1% 0,005% 0% 0,02% P - Acier de cémentation ou de carbonitruration caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids: 0,2% 0,05% 0,003% 0% 2765890 0% P éventuellement, jusqu'à 0,02 % de tellure, jusqu'à 0,04 % de sélénium, jusqu'à 0,07 % de plomb, jusqu'à 0,005 % de calcium, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. 6 - Acier de cémentation ou de carbonitruration selon la revendication 5 caractérisé en ce que sa composition chimique est telle que: 0,21% 0,1% 0,005% 0% 0,02% P 7 - Acier de cémentation ou de carbonitruration selon la revendication 5 ou la revendication 6 caractérisé en ce que sa courbe JOMINY est telle que: HRC 39HRC 31 HRC les valeurs moyennes J3m, Jllm et J25sm de cinq essais JOMINY étant telles que: IJI1 - J3mx 13/22 -J25mx 8 / 221