Brevet FR2821362A1 — publié le 20020830

PROCÉDÉ DE CÉMENTATION BASSE PRESSION La présente invention concerne le traitement des pièces métalliques et plus particulièrement la cémentation, c'est-à-dire d'introduction de carbone dans la surface des pièces pour améliorer leur dureté. Un procédé particulier de cémentation basse pression a déjà été décrit dans le brevet français nO 2678287 de la demanderesse (inventeur : Jean Naudot). Ce brevet prévoit d'alterner des étapes d'enrichissement et des étapes de diffusion. Il est spécifié que le gaz de cémentation peut être tout hydrocarbure susceptible de se dissocier aux températures de l'enceinte pour cémenter la surface des pièces à traiter. Toutefois, ce procédé propose plus particulièrement l'utilisation de propane comme gaz de cémentation et d'azote comme gaz neutre entre les phases de cémentation. Par ailleurs, un article de Jelle H. Kaspersma et Robert H. Shay paru dans Metallurgical Transactions, volume 13B, juin 1982, étudie les vitesses de cémentation liées à l'utilisation de divers gaz d'enrichissement et les problèmes de formation de suie. Il y est indiqué que l'acétylène est le gaz qui permet la cémentation la plus rapide mais qui présente l'inconvénient de générer le plus de suie dans l'enceinte de traitement. Diverses tentatives ont été faites pour permettre l'utilisation d'acétylène tout en résolvant le problème de la génération de suie et de goudrons. Le brevet russe nO 6678978 déposé le 2 juin 1977 propose d'injecter de l'acétylène dans l'enceinte de cémentation à une température de 850 à 1000 C, en faisant varier la pression de 0,01 à 0,95 atmosphère (1 à 95 kPa) à une vitesse de changement de pression de 0,001 à 1 atmosphère par heure. Il est expliqué que la quantité de suie est réduite notamment quand la vitesse d'augmentation de pression est très faible. Toutefois, ce procédé est complexe. A la connaissance de la demanderesse, le procédé décrit dans ce brevet russe n'a pas fait l'objet d'une exploitation industrielle et les résultats de la solution proposée n'ont pu être vérifiés. Une autre solution est proposée dans le brevet américain n 5702540 (Kubota) dans lequel il est suggéré d'utiliser de l'acétylène à une pression inférieure à 1 kPa. Il est indiqué que des traces de suie notables apparaissent à partir d'environ 0,7 kPa et qu'une quantité de suie importante apparaît au-dessus de 1 kPa. En outre, la description de cette demande de brevet indique que les caractéristiques de cémentation se dégradent entre l'extérieur et l'intérieur d'une pièce dès que la pression augmente au-dessus de 0,3 kPa. Des expériences faites par la demanderesse ont confirmé l'apparition de suie dès que la pression dépasse une valeur de l'ordre de 0,5 kPa mais par contre, ont indiqué que pour obtenir une cémentation satisfaisante à l'intérieur de cavités, ou quand la charge du réacteur de cémentation est très importante, il convient d'augmenter la pression. Il ne semble donc pas que la solution proposée dans le brevet cidessus référencé permette une utilisation satisfaisante de l'acétylène. La présente invention prévoit un nouveau procédé permettant l'utilisation efficace de l'acétylène et plus généralement de tout gaz de cémentation susceptible de produire de la suie et des goudrons. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé de cémentation basse pression consistant à utiliser une alternance d'étapes d'enrichissement à faible pression et d'étapes de diffusion en présence d'un gaz neutre dans lequel, pendant les étapes d'enrichissement, on utilise un mélange de gaz d'enrichissement et de gaz neutre, le gaz neutre étant dans une proportion de 25 à 50% eo volume du gaz d'enrichissement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz d'enrichissement est de l'acétylène (C2H2). Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz neutre est de l'azote. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le gaz neutre comprend de l'hydrogène dans une proportion de 5 à 40%. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la pression dans l'enceinte de cémentation est supérieure à 1 kPa. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la pression dans l'enceinte de cémentation est comprise entre 1 et 2 kPa. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les étapes de diffusion et d'enrichissement sont réalisées sensiblement à la même pression. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la température de traitement est de l'ordre de 850 à 12000C. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente une éprouvette en acier à laquelle on applique un procédé de cémentation ; la figure 2 est une courbe de pression en fonction du temps illustrant des phases successives d'un procédé de cémentation-diffusion ; et les figures 3 à 6 illustrent des résultats expérimentaux d'expériences de cémentation : - en figure 3, le gaz de cémentation est C2H2 et la pression de 0,3 kPa, - en figure 4, le gaz de cémentation est C2H2 et la pression de 0,7 kPa, - en figure 5, le gaz de cémentation est C2H2 et la pression de 1,2 kPa, et - en figure 6, selon l'invention, le gaz injecté pendant les phases de cémentation est un mélange de C2H2 et d'azote et la pression est de 1,5 kPa. La demanderesse a effectué diverses expériences de cémentation sur une éprouvette du type de celle représentée en figure 1, constituée d'un cylindre d'acier muni d'un alésage non débouchant et des mesures ont été faites quant à la profondeur de cémentation dext à l'extérieur de l'éprouvette et à la profondeur de cémentation dint à l'intérieur de l'alésage formé dans l'éprouvette. La figure 2 représente un cycle de cémentationdiffusion du type décrit dans le brevet français 2678287 et utilisé selon la présente invention. Les opérations de cémentation-diffusion sont effectuées à température constante et à pression constante après une phase initiale de mise en température et en pression. On réalise successivement au cours du temps des phases d'enrichissement E au cours desquelles un gaz de cémentation est injecté dans une enceinte de cémentation contenant des charges, dont au moins une éprouvette du type de celle représentée en figure 1, et des phases de diffusion dans lesquelles un gaz neutre est inséré dans l'enceinte. Pour faire varier la profondeur de cémentation, on modifie les durées et le nombre des étapes respectives d'enrichissement et de diffusion. Typiquement, la température est comprise entre 850 à 1200 C, la durée de chacune des phases d'enrichissement et/ou de diffusion étant de l'ordre de quelques minutes. Tout d'abord, la demanderesse a effectué des séries d'expériences sur une éprouvette de type de celle de la figure 1 avec comme gaz de cémentation de l'acétylène (C2H2) pur. Les courbes des figures 3,4 et 5 correspondent à trois pressions particulières, maintenues lors des phases de cémentationdiffusion, à savoir respectivement de 0,3 kPa pour la figure 3, de 0, 7 kPa pour la figure 4 et de 1, 2 kPa pour la figure 5. Chacune des courbes représente la dureté en fonction de la profondeur de cémentation pour un point pris à l'extérieur (Ext) de l'éprouvette et pour un point pris à l'intérieur (Int) de l'éprouvette. Les différents points de chaque courbe résultent du test de diverses éprouvettes ayant subi des durées de traitement distinctes. Comme le représente la figure 3, pour une pression de l'ordre de 0,3 kPa, on note une grande différence entre la profondeur de cémentation à l'intérieur de l'éprouvette et à l'extérieur de l'éprouvette, c'est-à-dire que le résultat obtenu n'est pas satisfaisant puisque la cémentation est insuffisante à l'intérieur de l'éprouvette. Par exemple, si l'on vise une profondeur de cémentation de 1 millimètre, on s'aperçoit que, quand cette profondeur est obtenue à l'extérieur, la profondeur de cémentation n'est que de 0,4 mm à l'intérieur. Un mauvais résultat est également obtenu dans le cas de la figure 4 où la pression est de 0,7 kPa. Quand la profondeur de cémentation à l'extérieur est de 1 mm, la profondeur de cémentation à l'intérieur n'est que de 0,6 mm. Par contre, on commence à obtenir des résultats satisfaisants en ce qui concerne la cémentation à partir du moment où la pression dépasse 1 kPa. Par exemple, la figure 5 représente des résultats obtenus pour une pression de 1,2 kPa : quand la profondeur de cémentation à l'extérieur de l'éprouvette atteint 1 mm, la profondeur de cémentation à l'intérieur atteint 0,8 mm, ce qui correspond aux normes généralement admises. En outre, on s'aperçoit que, si l'on distingue la profondeur de cémentation à l'intérieur de l'éprouvette vers le haut de l'éprouvette et vers le fond de l'éprouvette, ce n'est qu'à partir du moment où la pression dépasse 0, 5 kPa que l'on a une homogénéité de cémentation à l'intérieur de l'éprouvette. La génération de suie et de goudrons a été testée et l'on a noté que la création de suie et de goudron est négligeable dans le cas où la pression est de 0,3 kPa, mais qu'elle devient notable à partir de 0,7 kPa. La présente invention prévoit d'utiliser un cycle du type de celui représenté en figure 2 et d'injecter non plus un gaz de cémentation pur mais un mélange d'un gaz de cémentation et d'un gaz porteur. De préférence la proportion de gaz neutre sera choisie de l'ordre de 25 à 50% de la quantité de gaz d'enrichissement. L'expérience montre, comme le représente la figure 6, que l'on obtient alors, par exemple pour un mélange d'acétylène (C2H2) et d'azote (N2) avec une pression totale de 1,5 kPa et une proportion d'environ 30% d'azote, une cémentation satisfaisante sensiblement identique à celle illustrée en figure 5 mais que le problème de la suie et des goudrons est résolu. Plus généralement, la présente invention prévoit, dans tous les cas où l'on procède à une cémentation en présence d'un hydrocarbure aliphatique dans des conditions où se posent des problèmes de génération de suie et de goudrons, d'ajouter un gaz neutre. De préférence la proportion de gaz neutre sera choisie de l'ordre de 25 à 50% de la quantité de gaz d'enrichissement. Ces problèmes de génération de suie et de goudrons se soulèvent très fortement dans le cas de l'acétylène dans lequel la présente invention est particulièrement utile mais se posent également notamment dans le cas d'autres hydrocarbures, par exemple du propane (C3H8). Le gaz neutre n'est pas nécessairement de l'azote mais peut être tout autre type de gaz n'intervenant pas dans la réaction de cémentation, par exemple de l'argon ou un mélange de gaz. L'azote sera de préférence choisi en raison de son faible coût. Mais, pour des exigences particulières, ou si les coûts des gaz viennent à baisser, on pourra choisir un autre gaz neutre ou gaz porteur pour résoudre le problème de la génération de suie et de goudrons. La demanderesse a également montré qu'il peut y avoir avantage à ajouter de l'hydrogène pendant les phases de cémentation. A de faibles pressions, par exemple en se plaçant à une pression partielle de C2H2 de 0,7 kPa, si l'on ajoute un gaz neutre comprenant une proportion de 5 à 40% en volume d'hydrogène, on obtient une courbe caractéristique parfaitement satisfaisante telle que celle de la figure 6 (à comparer avec celle de la figure 4 dans le cas où l'on utilise de l'acétylène seul). On peut penser que la dissolution de l'acétylène par le gaz porteur pendant les phases d'enrichissement réduit les réactions de polymérisation de l'acétylène et de ses dérivés, d'où il résulte la diminution significative constatée de la quantité de goudrons formée à l'intérieur du four et éventuellement au niveau du groupe de pompage. L'utilisation d'un mélange d'azote hydrogéné présente l'avantage supplémentaire de favoriser la cinétique de décomposition ou le craquage thermique de l'acétylène, d'où il résulte une meilleure pénétration dans des cavités et une cémentation régulière. En effet, on peut alors, même pour une faible pression, obtenir une cémentation homogène des parois de cavités profondes. Un avantage de cette solution est que l'on réduit alors la quantité de gaz de cémentation et donc la pollution et les effluents gazeux. REVENDICATIONS 1. Procédé de cémentation basse pression consistant à utiliser une alternance d'étapes d'enrichissement à faible pression et d'étapes de diffusion en présence d'un gaz neutre caractérisé en ce que, pendant les étapes d'enrichissement, on utilise un mélange de gaz d'enrichissement et de gaz neutre, le gaz neutre étant dans une proportion de 25 à 50% en volume du gaz d'enrichissement. 2. Procédé de cémentation basse pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz d'enrichissement est de l'acétylène (C). 3. Procédé de cémentation basse pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz neutre est de l'azote. 4. Procédé de cémentation basse pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz neutre comprend de l'hydrogène dans une proportion de 5 à 40%. 5. Procédé de cémentation basse pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression dans l'enceinte de cémentation est supérieure à 1 kPa. 6. Procédé de cémentation basse pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression dans l'enceinte de cémentation est comprise entre 1 et 2 kPa. 7. Procédé de cémentation basse pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étapes de diffusion et d'enrichissement sont réalisées sensiblement à la même pression. 8. Procédé de cémentation basse pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de traitement est de l'ordre de 850 à 12000C.