Brevet FR2826374A1 — publié le 20021227

La présente invention concerne un procédé de trempe des aciers par de l'air sous pression permettant de garantir des caractéristiques métallurgiques identiques à la trempe à l'huile et en particulier d'éviter la décarburation superficielle. Les procédés de trempe par du gaz sous pression présentent de nombreux avantages par rapport aux procédés de trempe par des liquides surtout parce que les pièces sont propres et sèches après la trempe. De nombreux articles ont été consacrés à la trempe des aciers par du gaz sous pression et il existe aujourd'hui plusieurs dispositifs qui se distinguent par l'architecture de la cellule de trempe et la nature des gaz utilisés, l'objectif étant d'obtenir la plus grande efficacité de trempe possible, c'est- à-dire la plus grande vitesse de refroidissement afin d'égaler les vitesses de refroidissement obtenues avec des liquides tels que des huiles, des solutions aqueuses ou des sels fondus. A cette fin, on augmente le débit massique du gaz circulant à la surface de la pièce à refroidir en augmentant sa vitesse et sa pression. Le gaz le plus couramment utilisé est l'azote car il est inerte chimiquement et son coût relativement acceptable permet de ne pas le recycler après chaque opération de trempe. Le plus souvent, il est utilisé sous des pressions comprises entre 1 et 10 bars. D'autres gaz inertes ont été proposés. C'est ainsi que le brevet européen 0 313 888 propose d'utiliser des gaz légers tels que l'hélium et l'hydrogène à des pressions plus élevées (20 bars et plus). L'utilisation de ces gaz légers a pour effet, à performances équivalentes, de limiter la puissance des moteurs de la turbine assurant leur circulation. Toutefois ces gaz sont ou particulièrement coûteux, ce qui impose un recyclage comme pour l'hélium, ou particulièrement dangereux comme l'hydrogène. Tous les gaz proposés dans l'art antérieur se distinguent par leurs caractéristiques physiques : masse moléculaire, conductibilité thermique etc. mais ils sont tous inertes chimiquement vis à vis d'un acier porté à haute température avant trempe. L'objectif est d'éviter l'oxydation et la décarburation superficielles de l'acier. Les dispositifs mis en oeuvre pour assurer une trempe par du gaz sous pression comportent tous une turbine permettant la circulation du gaz sur les pièces. Le gaz est ensuite refroidi par passage sur un échangeur thermique puis réinjecté sur la charge de pièces. La Demanderesse s'est fixé comme objectif d'utiliser l'air sous pression pour réaliser la trempe, en raison de son faible coût et de sa disponibilité. Cependant son utilisation pose un problème majeur. L'oxygène est chimiquement très réactif vis à vis de l'acier à haute température et provoque habituellement une décarburation superficielle inacceptable industriellement. Il est bien connu en effet que le maintien à haute température et en particulier entre 700 et 1100 C d'aciers dans de l'air conduit à la formation de couches d'oxydes, souvent appelées"calamine", dont la croissance est très rapide. Leur épaisseur peut atteindre plusieurs dizaines de micromètres après quelques minutes d'exposition à l'air. Cette formation de couche d'oxyde s'accompagne aussi d'une décarburation de surface de l'acier, préjudiciable à ses caractéristiques métallurgiques et à ses propriétés mécaniques. L'invention concerne donc un procédé et ses modalités de mise en oeuvre permettant d'effectuer une trempe d'aciers avec de l'air sous pression depuis des températures comprises entre 700 et 1100 C, une telle trempe conduisant à des caractéristiques métallurgiques identiques à une trempe à l'huile depuis la surface de l'acier c'est-à-dire en particulier en évitant totalement toute décarburation superficielle. Conformément à l'invention, le procédé de trempe d'une charge d'acier comprenant les étapes suivantes : - extraction de la charge depuis un four de traitement à une température comprise entre 750 C et 1100 C, - transfert de la charge vers une cellule de trempe, - introduction d'un fluide de trempe sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, - refroidissement de la charge jusqu'à une température inférieure à 400 C, est caractérisé par le fait que le fluide est composé d'air en majorité, et la pièce est amenée à une température d'au plus 400 C en un temps tel depuis la sortie du four qu'il se forme une couche d'oxyde qui empêche la décarburation de l'acier. On considère dans la présente description qu'il n'y a pas eu de décarburation de l'acier lorsque le taux de carbone mesuré sur une épaisseur de 60um depuis la surface reste constant. Le procédé de l'invention permet notamment la trempe par de l'air sous pression des aciers au carbone, des aciers cémentés, des aciers carbonitrurés et des aciers à outils. L'invention repose sur l'observation suivante. L'oxydation d'un acier au carbone à des températures voisines de 900 C conduit à la formation d'une couche d'oxyde de type wüstite (FeO sous-stoechiométrique). L'épaisseur de cette couche augmente régulièrement avec le temps pour atteindre 10 à 12 ! lm après une minute dans l'air calme. On estime qu'une couche d'oxyde wüstite d'une épaisseur de 1 um est formée dans l'air après 5 secondes. Son épaisseur est d'environ 4 u. m au bout de 20 secondes à 870 C, température habituelle de début de trempe des aciers cémentés ou carbonitrurés. On constate par ailleurs, après 20 secondes et en présence d'une atmosphère dont le potentiel carbone est inférieur à 0,1 % à 870 C, que la couche affectée par la décarburation est de l'ordre de 20 um. Ce phénomène de décarburation apparaît lorsque l'oxyde de carbone peut se dégager dans l'atmosphère. Il résulte de la réaction 1/2 O2 + C- > CO où C est le carbone dissous dans l'acier. On évite alors la décarburation des couches superficielles de l'acier, en formant une barrière s'opposant à tout dégagement d'oxyde de carbone. En raison du faible temps dont on dispose, il faut que cette barrière soit formée rapidement. L'invention a été de reconnaître que la couche d'oxyde de type wüstite pouvait jouer ce rôle dans la mesure où elle adhérait suffisamment à la surface de l'acier. Une épaisseur de 1 um suffit à empêcher la formation de CO de manière notable. En absence de variation rapide de température (choc thermique) une bonne adhérence de la couche d'oxyde est obtenue tant que son épaisseur reste inférieure à 10-12 pu et de préférence lorsque l'épaisseur est inférieure à 4 u. m à 5, um. On dispose donc, au voisinage des températures habituelles de trempe, d'une période de 20 à 40 secondes pendant laquelle la couche d'oxyde de fer formée se comporte comme une barrière s'opposant à tout dégagement d'oxyde de carbone ce qui permet d'éviter toute décarburation notable de la surface de l'acier. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, on transfère à l'air, on introduit dans la cellule de trempe la charge constituée de pièces d'acier maintenues à la température de début de trempe et on commence la trempe de façon à amener la surface des pièces à une température inférieure à 600 C en une période inférieure à 40 secondes, de préférence inférieure à 20 secondes. Le fluide de trempe dans la cellule est sous une pression pouvant atteindre 40 bars et est mis en mouvement avec des vitesses pouvant atteindre 20 m/s, en quelques secondes. Le fluide de trempe est composé essentiellement d'air. On peut lui ajouter d'autres constituants destinés à améliorer les transferts thermiques. On a mesuré la température de la surface des pièces lors de la trempe. Elle s'abaisse à une valeur inférieure à 700 C en moins de 2 secondes et à une valeur inférieure à moins de 600 C en moins de 4 secondes et à moins de 400 C en moins de 10 secondes. A une température inférieure à 600 C, la vitesse de diffusion du carbone dans l'acier est tellement lente que le phénomène de décarburation n'est plus observé. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention accompagnée de dessins sur lesquels : La figure 1 montre une représentation schématique d'un dispositif conforme à l'invention. La figure 2 est un graphique montrant les profils de concentration en carbone de couches superficielles d'aciers cémentés et trempés conformément à l'invention d'une part, à l'huile d'autre part. La figure 3 est un graphique montrant les profils de micro-dureté de couches superficielles d'aciers cémentés et trempés conformément à l'invention d'une part, à l'huile d'autre part. Le dispositif de la figure 1 comporte un four de traitement connu en soi. Il peut s'agir d'un four de cémentation ou de carbonitruration (1), en continu ou de type batch d'un four puits, d'un four cloche, ces fours réalisant les traitements thermochimiques à la pression atmosphérique. Il peut s'agir aussi d'un four réalisant le traitement sous une pression inférieure dans le cas d'une cémentation ionique sous plasma ou d'une cémentation à basse pression. Sur le même plateau à quelque distance, on a représenté une cellule (3) de trempe par un fluide gazeux. Cette cellule est fermée hermétiquement par une porte (31). A l'intérieur, un rotor pourvu de pales (33), par exemple centrifuges ou hélicoïdales, appelé turbine, est mis en rotation par un moteur électrique (35). La turbine a pour fonction de mettre en mouvement le fluide de trempe gazeux contenu dans l'enceinte. Celui-ci est guidé par des organes de guidages (37) dans le sens représenté par les flèches ou dans le sens inverse. Le gaz passe au travers d'un moyen échangeur de chaleur (39). Pour assurer la trempe, on met la charge représentée par le bloc A4 dans la cellule que l'on ferme hermétiquement, comme cela est représenté en pointillé. On charge la cellule en gaz jusqu'à la pression souhaitée, entre 1 et 40 bars, et on l'entraîne par la turbine (33). Des déflecteurs appropriés injectent le gaz froid, relativement, contre la charge A4. Après avoir extrait la chaleur de la charge il est guidé vers la turbine. Il passe à travers l'échangeur où il est ramené à la température de trempe. Dans l'exemple de la figure 1, l'échangeur et la turbine sont disposés à l'intérieur de la cellule, mais ils peuvent aussi être placés à l'extérieur. La charge à traiter peut par exemple être constituée d'engrenages ou bien d'arbre pignons Un manipulateur (40) est placé entre le four et la cellule. Sa fonction est de réceptionner la charge du four et de la mettre en place sur le support de la cellule. On a représenté les différentes positions de la charge, entre AO où elle est encore dans le four et A4 où elle est sur son support pendant la trempe. Le manipulateur comprend un plateau (41) pouvant tourner autour d'un axe vertical et être déplacé en hauteur. Le plateau (41) porte un bras (43) pouvant se déplacer dans un plan horizontal et recueillir une charge à traiter. Le bras (43) est mobile entre une position extérieure où il recueille ou dépose la charge et une position intérieure où la charge est logée dans une cloche de protection (45). Le cycle de fonctionnement est le suivant - la charge est en AO à l'intérieur du four (1) à sa température de traitement. On ouvre la porte du four. - le bras (43) est en face de l'ouverture. On étend le bras sur lequel vient se placer la charge. On rétracte le bras. La charge vient en position Al sous la cloche (45). - Le plateau pivote pour venir mettre la charge en position A2, face au support (3 1). - On étend le bras qui dépose la charge sur le support (31) en position A3. - Le support se déplace jusqu'à venir à l'intérieur de la cellule. La charge vient en position A4. Sa température n'a sensiblement pas diminué depuis sa sortie du four. - La trempe est mise en route. Conformément à l'invention, entre le début du cycle et la première phase de la trempe qui amène la température superficielle de la charge à 600 C, le temps écoulé est inférieur à 40 secondes ; temps pendant lequel une couche d'oxyde s'est constituée et a formé une barrière à la décarburation de la charge. En particulier, la manipulation permet le transfert entre le four et la cellule en moins de trente secondes. On a examiné des pièces ayant subi le traitement de trempe de l'invention. Les études métallurgiques réalisées sur les engrenages et arbres pignons carbonitrurés et trempés à l'air dans les conditions décrites ci-dessus montrent : - que les profils de micro-dureté réalisés en flanc et en pied de dents sont équivalents à ceux obtenus après une trempe directe à 870 C dans l'huile. Le graphique de la figure 3 montre que les valeurs de micro-dureté, exprimées en VICKERS et mesurées à des profondeurs différentes sur une pièce traitée avec une trempe à l'air d'une part, et, sur une pièce traitée à l'huile d'autre part, sont quasi-identiques. - que lès pièces trempées à l'air sous pression ne présentent pas de décarburation. La figure 2 montre les profils de concentration en carbone établis sur un engrenage au niveau d'un flanc de denture, et de pieds de denture. Les profils sont équivalents entre la trempe à l'huile et à la trempe à l'air. Ils sont caractéristiques d'une couche cémentée trempée sans décarburation de surface. Une première série de mesures se rapporte à une pièce ayant subi un traitement de carbonitruration suivi d'une trempe à l'air à 870 C. Une seconde série de mesures se rapporte à une pièce ayant subi un traitement de carbonitruration suivi d'une trempe à l'huile - que la trempe à l'air sous pression provoque la formation d'une couche d'oxyde dont l'épaisseur est de 6 lam. La présente invention comprend également un procédé dans lequel le transfert est effectué sous une atmosphère protectrice et dont la trempe est effectuée à l'air sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. Dans ce cas la décarburation est évitée essentiellement au niveau de la trempe par la formation d'une couche d'oxyde pendant les premières phases de la trempe. La présente invention couvre également un procédé où le fluide de trempe est de l'air auquel on ajouté un gaz modifiant sa masse volumique et/ou sa conductibilité thermique La présente invention couvre également un procédé où le fluide de tempe est de l'air auquel on a jouté un liquide pulvérisé permettant le refroidissement des pièces par un mélange diphasique REVENDICATIONS 1. Procédé de trempe d'une charge d'acier comprenant les étapes suivantes : a. On extrait la charge depuis un four de traitement (1) à une température comprise entre 750 C et 1100 C, b. On transfère la charge vers une cellule de trempe (3), c. On introduit un fluide de trempe sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, d. on refroidit la charge jusqu'à une température inférieure à 400 C, caractérisé par le fait que le fluide est composé d'air en majorité, et la pièce est amenée à une température d'au plus 400 C en un temps tel depuis la sortie du four (1) qu'il se forme une couche d'oxyde qui empêche la décarburation de l'acier. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le transfert est réalisé à l'air libre, et la température de la charge est abaissée à 600 C en moins de quarante secondes, de préférence en moins de vingt secondes. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'épaisseur de la couche d'oxyde formée est inférieure à 12 um, de préférence inférieure à 5 u. m. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le transfert est effectué sous atmosphère protectrice. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le fluide est un mélange d'air et d'un gaz modifiant sa masse volumique et/ou sa conductibilité thermique. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le fluide est un mélange diphasique, air/liquide pulvérisé. 7. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un manipulateur de transfert et une cellule de trempe capables d'amener la charge entre le four et la cellule à une température superficielle de 600 C, en moins de quarante secondes. 8. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé par le fait que le manipulateur permet le transfert en moins de trente secondes. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par le fait que la cellule de trempe comprend une turbine permettant d'abaisser la température de surface des pièces de la charge à 400 C en moins de 10 secondes 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait qu'il est associé à un four continu, un four batch un four cloche un four puits fonctionnant à la pression atmosphérique ou un four fonctionnant sous pression réduite.