Brevet FR2813892A1 — publié le 20020315

L'invention concerne un procédé de traitement thermique d'aciers hypoeutectoïdes afin d'améliorer la durée de vie d'outils réalisés à partir de ceux-ci. Pour augmenter la dureté superficielle d'aciers classiques peu chargés en carbone afin de les rendre aptes à résister à des sollicitations mécaniques sévères, on connaît le procédé de traitement thermochimique appelé cémentation. Comme précisé dans la norme NF A002-010, au cours d'une cémentation, un acier est porté à l'état austénitique pour obtenir un enrichissement superficiel en carbone, élément qui se trouve en solution solide dans l'austénite. L'acier cémenté subit alors un durcissement par trempe ultérieure ou immédiate. Un tel procédé de cémentation, notamment effectué à basse pression, s'il est pratiqué comme rappelé ci-dessus sur des aciers peu chargés en carbone, n'est en général pas appliqué à des aciers d'outillages, ayant une teneur initiale en carbone typiquement supérieure à 0,20 %. Après de nombreux essais de surcarburation réalisés sur des aciers d'outillages par application des procédés de surcarburation antérieurs classiques, qui n'ont pas conduit à des résultats satisfaisants en terme d'amélioration notable de la tenue des outillages, la demanderesse s'est fixé comme objectif * d'utiliser une teneur en carbone significativement plus élevée qu'un acier de cémentation classique, et * d'obtenir une précipitation et une croissance de nombreux carbures sphéroïdaux finement dispersés dans la matrice. Pour atteindre cet objectif la présente invention propose un procédé de traitement thermique d'aciers d'outillages hypoeutectoïdes, comportant des étapes de cémentation basse pression à une température d'environ 980 C à environ 1100 C, trempe et revenu caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de ré-austénitisation entre une première et une deuxième trempe. Le procédé de la présente invention permet en particulier la surcarburation d'aciers d'outillages pour travail à chaud hypoeutectoïdes sur une profondeur supérieure à 1 mm sans formation de carbures, contrairement aux procédés antérieurs conduisant à la formation de carbures en surface qui bloquent le mécanisme de diffusion à coeur du carbone. A partir de lopins d'aciers à outils traités par le procédé conforme à la présente invention peuvent être réalisées des pièces qui présentent un profil de dureté nettement amélioré, ayant une dureté en surface et proche de la surface accrue tout en conservant les propriétés à coeur. Ainsi la propagation des fissures qui apparaissent sous l'effet des contraintes est ralentie et la durée de vie des pièces est accrue. Dans la présente invention, le terme environ signifie que les valeurs des températures sont données à 20 C et celles des durées, à 10 min. Selon d'autres caractéristiques complémentaires ou alternatives de l'invention - la ré-austénitisation est réalisée à une température supérieure ou égale à la température de cémentation - la température de cémentation est d'environ 1020 C à environ 1040 C, de préférence, 1030 C - la ré-austénitisation est réalisée à une température d'environ 1050 C à environ 1070 C de préférence, 1060 C pendant environ 30 min - l'étape de cémentation consiste en une alternance de phases d'enrichissement en carbone et de phases de diffusion du carbone - le procédé de l'invention comporte au moins deux revenus, de préférence trois. - un premier revenu est réalisé immédiatement après la deuxième trempe - le procédé de l'invention comporte une étape de retour à température ambiante entre chacun desdits revenus - les revenus sont réalisés à une température d'environ 550 C à environ 600 C, pendant une durée d'environ 3 h à environ 6 h ; de préférence le premier revenu est réalisé à environ 550 C pendant une durée d'environ 6 h, le deuxième revenu est réalisé à 590 C pendant une durée d'environ 3 h, et le troisième revenu est réalisé à une température d'environ 550 C, pendant 3 h. - le procédé de l'invention comporte une étape finale de nitruration La présente invention a en outre pour objet l'application d'un procédé selon l'invention au traitement thermique d'aciers à teneur initiale en carbone supérieure à 0,20 %, notamment aux nuances X38CrMoV5-3 (Z38CDV5-3) et X38CrMoV5 (Z38CDV5 ou H11 ou 1.2343). D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la Figure 1 illustre une micrographie d'un échantillon surcarburé, trempé et non revenu selon l'état de la technique ; - la Figure 2 illustre une micrographie d'un échantillon surcarburé, trempé et non revenu avec austénitisation selon le procédé de l'invention ; - la Figure 3 illustre une micrographie d'un échantillon surcarburé, trempé et revenu avec auténitisation selon le procédé de l'invention ; - la Figure 4 illustre une micrographie d'un échantillon surcarburé, trempé et revenu puis nitruré selon le procédé de l'invention ; - la Figure 5 représente le profil de dureté obtenu sur éprouvette et poinçon dans les conditions opératoires du mode de réalisation exemplifié sans nitruration ; et - la Figure 6 représente le profil de dureté obtenu sur éprouvette et poinçon dans les conditions opératoires du mode de réalisation exemplifié avec nitruration. Dans ce qui va suivre on va donner à titre purement illustratif et non limitatif un exemple d'un mode de réalisation du procédé de l'invention. EXEMPLE 1.1 Installation La surcarburation de l'acier X38CrMoV5-3 est réalisée dans un four de cémentation basse pression aux caractéristiques principales suivantes : vide de travail 10-2 mbar à 10-3 mbar ; gaz de cémentation : propane ; gaz de trempe : argon avec un débit de 70 I/min et introduit sous une pression de 4 bars. 1.2 Procédé selon l'invention Le traitement thermique réalisé comprend les étapes suivantes 1.2.1 Surcarburation et trempe montée en température : température de travail : 1030 C puis alternance de phases d'enrichissement et de diffusion Enrichissement au propane 1 min 28 s Diffusion / coupure du propane 24 min 35 s Enrichissement 1 min 9 s Diffusion 1 h 7 min 49 s Enrichissement 1 min 8 s Diffusion 1 h 56 min 34 s Enrichissement 1 min 8 s Diffusion 2 h 49 min 54 s Enrichissement 1 min 8 s puis trempe au gaz. La température de cémentation a été optimisée par un plan d'expérience de façon à garantir une bonne diffusion du carbone sans formation de forts réseaux de carbures. Ainsi, l'opération de surcarburation permet d'obtenir en surface une forte quantité d'austénite résiduelle sans formation de réseaux de cémentites. 1.2.2 Austénitisation et trempe montée en température jusqu'à 1060 C ; maintien en température à coeur pendant 30 min ; trempe au gaz. La ré-austénitisation permet de donner à coeur les structures optimales à l'acier qui vont conférer après revenu les caractéristiques optimales. Elle permet en outre d'assurer une passe de diffusion supplémentaire du carbone dans l'acier. 1.2.3 Revenus ter revenu : 550 C pendant 3 h 2ème revenu: 590 C pendant 6 h Sème revenu: 550 C pendant 3 h. Les revenus successifs permettent de garantir à coeur les caractéristiques optimales. Ils permettent en outre de transformer la forte quantité d'austénite résiduelle obtenue par surcarburation en martensite dans un premier temps, puis de revenir cette martensite afin de lui faire perdre son caractère fragile. Ainsi, les trois revenus déstabilisent l'austénite résiduelle en martensite puis donnent à la martensite ses caractéristiques finales sur l'ensemble de l'acier. Ce cycle de revenu est optimal pour cet acier sachant qu'une nitruration TENIFER ultérieure, voir ci-après, est effectuée et qu'au moins un des trois revenus est réalisé à une température supérieure à la température de nitruration afin que cette dernière n'entraîne pas de chute des caractéristiques mécaniques à coeur. 1.2.4 Nitruration Nitruration TENIFER en bain de sel à 570 C pendant 3 h. La nitruration permet d'améliorer de façon importante la dureté sur 2I10 ème. 2. Résultats sur poinçon et éprouvette Comme on peut le voir en comparant les Figures 1 et 2, le procédé selon l'invention permet de limiter la formation du réseau de cémentite, bien que la profondeur visée soit très importante (supérieure à 2 mm). Examen métallurgique * microduretés : la Figure 6 représente le profil de dureté obtenu sur éprouvette et poinçon avec le procédé selon l'invention. * microstructure : la Figure 4 illustre une micrographie où se succèdent de la surface vers le coeur une couche de combinaison, une couche de diffusion et la martensite revenue chargée en carbone. 3. Avantages du procédé de l'invention Les pièces réalisées par mise en oeuvre du procédé de l'invention présentent un profil de dureté nettement amélioré, ayant une dureté en surface et proche de la surface accrue tout en conservant les propriétés à coeur. Ainsi, les caractéristiques et propriétés des pièces ainsi obtenus sont notamment les suivantes - un profil de dureté intéressant avec * chute de dureté progressive de 1100 à 730 HV de 0 à 0,2 mm * chute progressive de dureté de 730 HV à 600 HV de 0 à 2,4 mm * maintien de 600 HV jusqu'à coeur - une dureté moyenne supérieure de 30 à 50 HV par rapport à un traitement sans ré-austénitisation - une augmentation de la résistance à la fatigue thermo-mécanique - un excellent compromis entre ténacité et résistance à l'usure Enfin les micrographies mettent en évidence l'absence de réseaux de carbures ou de grossissement de grains important. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement thermique d'aciers d'outillages hypoeutectoïdes, comportant des étapes de cémentation basse pression à une température d'environ 980 C à environ 1100 C trempe et revenu caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de ré-austénitisation entre une première et une deuxième trempe. 2. Procédé de traitement thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ré-austénitisation est réalisée à une température supérieure ou égale à la température de cémentation. 3. Procédé de traitement thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température de cémentation est d'environ 1020 C à environ 1040 C, de préférence, 1030 C. 4. Procédé de traitement thermique selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la ré-austénitisation est réalisée à une température d'environ 1050 C à environ 1070 C, de préférence, 1060 C pendant environ 30 min. 5. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de cémentation consiste en une alternance de phases d'enrichissement en carbone et de phases de diffusion du carbone, 6. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux revenus. 7. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte trois revenus. 8. Procédé de traitement thermique selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'un premier revenu est réalisé immédiatement après la deuxième trempe. 9. Procédé de traitement thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de retour à température ambiante entre chacun desdits revenus. 10. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les revenus sont réalisés à une température d'environ 550 C à environ 600 C, pendant une durée d'environ 3 h à environ 6 h. 11. Procédé de traitement thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape finale de nitruration. 12. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes au traitement thermique d'aciers à teneur initiale en carbone supérieure à 0,20 %, notamment aux nuances X38CrMoV5-3 (Z38CDV5-3) et X38CrMoV5 (Z38CDV5 ou H11 ou 1.2343)