Brevet FR2847591A1 — publié le 20040528

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de cémentation de pièces en acier pour travail à chaud, par carburation en dépression. Etat de la technique Les pièces en acier pour travail à chaud sont utilisées habituellement à des températures élevées. Comme on utilise de plus en plus des corps d'injecteur dans des systèmes d'injection directe actuels à des températures de fonctionnement allant jusqu'à 360'C, il est intéressant de réaliser ces injecteurs en acier à travail à chaud. Mais les aciers io pour travail à chaud, cémentés, ne répondent généralement pas aux conditions de résistance des pièces. Un traitement des aciers pour travail à chaud par les procédés de cémentation habituels comme par exemple le procédé de carburation au gaz conduirait à une oxydation interne et ainsi à une forte diminution de la résistance. Dans la fabrication de corps d'injecteurs, avant d'effectuer le traitement thermique, on réalise des perçages intérieurs et des congés par un procédé d'usinage électrochimique ECM. Les surfaces ainsi obtenues sont toutefois difficiles à traiter à cause d'une passivation de surfaces car les éléments d'alliages plus nobles comme par exemple Cr restent à la surface ou encore ces éléments d'alliages s'oxydent et forment des oxydes et des hydroxydes métalliques MexOy[OH]. Les paramètres de traitement utilisés pour le traitement thermique et les structures de réseaux qui en résultent pour des valeurs de dureté répondant aux conditions de résistance et d'usure ne sont pas 25 connus avant le développement du procédé car les aciers pour travail à chaud ne sont habituellement pas cémentés. Il est à remarquer que la présente invention n'est pas limitée à la fabrication de corps d'injecteurs mais s'applique à toutes les pièces en acier pour travail à chaud devant répondre à des conditions de température, de résistance et d'usure particulières. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un procédé du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu' - on fixe la teneur périphérique nécessaire en carbone pour la tempéra35 ture de carburation respective par simulation thermodynamique, - on chauffe les pièces sous une atmosphère de gaz protecteur ou sous vide à une température comprise dans une plage supérieure à 400'C jusqu'à la température de carburation, - on remplace l'atmosphère de gaz protecteur ou le vide par une atmosphère d'hydrogène et - on carbure les pièces et on règle la teneur périphérique fixée en carbone par diffusion. De préférence la température de carburation est située dans une plage allant de 920'C à 10000C. Vis-à-vis de l'état de la technique ce procédé a l'avantage de réduire les couches de Me.Oy[OH] produites sur les surfaces conservées par le traitement ECM. Il est en outre avantageux d'avoir une carburation régulière dans le cas de pièces à géométrie complexe, comme par exemple dans des zones à l'intérieur de perçages. Un autre avantage est que le procédé selon l'invention permet d'obtenir une résistance au revenu et une résistance à la chaleur jus15 qu'à une température requise d'au moins 360'C. Si on effectue la carburation avec des hydrocarbures comme gaz de procédé il est intéressant que la carburation se fasse dans une plage de pression de l'ordre de 2 à environ 20 mbars, de préférence avec des impulsions de pression d'une durée de 0,7 à 2 minutes et des 20 pauses comprises entre 0,7 et 10 minutes, effectuée avec des hydrocarbures (C3Hs, C2H4, C2H2). Selon d'autres caractéristiques avantageuses, la pression du gaz protecteur est > 0,8 bar, le débit d'hydrogène est situé dans une plage de l'ordre de 100 à environ 2000 Nl/h, on pompe l'hydrogène direc25 tement avant la carburation, et après la carburation on soumet les pièces à une trempe par gaz haute pression. La possibilité de fixer la teneur périphérique en carbone par une simulation thermodynamique offre des avantages supplémentaires. Si on refroidit à basse température les pièces après la 30 trempe par gaz à haute pression, de préférence après le refroidissement à basse température on soumet les pièces à un traitement de revenu. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre schématiquement le déroulement général du procédé de cémentation de pièces en aciers pour travail à chaud par carburation en dépression, - la figure 2 montre schématiquement le déroulement du procédé de traitement thermique selon l'invention, - la figure 3 montre la teneur en carbone dans l'austénite pour différentes teneurs globales en carbone, - la figure 4 montre la composition de phase d'un acier de carburation pour différentes teneurs globales en carbone. Description de modes de réalisation Comme le montre schématiquement la figure 1, on effectue tout d'abord un usinage mécanique (étape 1) de corps d'injecteur en acier pour travail à chaud (par exemple X40 CrMoV 51). Puis on effectue l'usinage ECM des perçages intérieurs (étape 2). Après l'usinage ECM il faut effectuer le nettoyage (étape 3) par une combinaison d'étapes opératoires poussées avec de très brefs intervalles de quelques secondes à l'aide d'un agent de nettoyage aqueux (par exemple un agent de nettoyage neu15 tre) pour éviter le développement de couches épaisses de MexOy[OH]z. A la suite du nettoyage on sèche les pièces. En cas de stockage prolongé entre l'usinage ECM et le durcissement il est recommandé de le conserver avec un fluide d'évacuation d'eau et d'effectuer un nouveau nettoyage avant le traitement thermique. La cémentation par carburation en dépression (étape 4) se fait dans un four à vide à une ou plusieurs chambres comme le montre la figure 2. Tout d'abord, on produit le chauffage 10 par convection sous atmosphère d'azote à une pression > 0,8 bar ou sous vide. A partir d'une température supérieure à environ 400'C jusqu'à la température de carbu25 ration (par exemple 960'C) mais de façon intéressante à des températures plus élevées comprises entre 800'C et à températures de traitement, au cours d'une phase de chauffage et d'activation 11 on remplace l'atmosphère d'azote ou le vide par une pression partielle d'hydrogène de 1 à 100 mbars. Pour favoriser l'échange de gaz avec les pièces ayant des 30 perçages borgnes on peut également effectuer cette opération par exemple par pulsation avec une impulsion de pression d'une durée de 1 à 10 minutes et une durée de pompage d'au moins 1 minute jusqu'au maximum 10 minutes. Le débit de l'addition d'hydrogène correspond à une plage de 100-2000 Nl/h (litres normaux/heure). On améliore l'activation à la fois en allongeant la durée de maintien avant la carburation mais également en augmentant la température au delà de 920'C jusqu'à environ 1020'C, c'est-à-dire en utilisant une température d'activation plus élevée que la température de carbura- tion proprement dite. Juste avant la carburation on pompe l'hydrogène pour éviter de souiller le gaz de carburation avec de l'hydrogène. Après la phase d'élévation de température et d'activation, on produit la carburation 12 des pièces (étape 4, figure 1). Pour les aciers de cémentation habituels, la teneur périphérique en carbone, nécessaire pour atteindre la dureté maximale suivant la teneur en alliage allant jusqu'à 0,6-0,8 % massique de carbone. Du fait de la forte teneur en éléments d'alliage susceptibles de former des carbures (Cr, Mo, V) dans les aciers à travail à chaud il faut que la teneur périphérique en carbone soit plus élei0 vée pour atteindre la dureté maximale car une quantité non négligeable de carbone sera transformée en carbure. Pour réduire le nombre des essais pour le développement du procédé il faut fixer la teneur périphérique en carbone en s'appuyant par exemple sur des calculs effectués à l'aide de programmes de simulation thermodynamique (par exemple thermocalc). Le diagramme représenté à la figure 3 donne la teneur en carbone dissous dans la matrice austénitique pour différentes températures. Ce diagramme montre que par exemple à une température de 960'C on doit avoir une teneur totale en carbone d'environ 1,2 % massique pour dissoudre sensiblement plus de 0,6 % massique C dans la matrice, c'est-à-dire atteindre la dureté maximale. La figure 4 indique les phases développées lors de la carburation. A une température de carburation de 960'C on aura par exemple pour une teneur totale en carbone de 1,2 % massique, 4,6 % en volume de carbure M7C3 et 1, 5 % en volume de carbure MC dans la microstructure. A partir de cette base on fixe la température de carburation nécessaire ainsi que les cycles de carburation, c'est-à-dire la durée et le nombre d'impulsions de carburation nécessaires pour la carburation en dépression. La carburation elle-même se fait avec des hydrocarbures in30 saturés comme par exemple de l'éthylène ou de l'acétylène comme gaz de procédé à des températures comprises entre 9200C et 10000C. On effectue de préférence une carburation pulsée sous une pression de 3 à 20 mbars, c'est-à-dire une impulsion de carburation d'une durée comprise entre 0,5 et 5 minutes suivie d'une phase de mise sous vide d'une durée de l'ordre 35 de 0,5 à 10 minutes. Après la carburation on règle dans une phase de diffusion 13, qui se fait également dans la plage de température de carburation, la teneur périphérique en carbone, nécessaire, et la profondeur de cémentation. Par trempe à haute pression dans du gaz 14, dans de l'azote de l'hélium ou de l'hydrogène sous une pression de 2 à 20 bars on trempe les pièces directement à partir de la température de carburation ou de diffusion. Après la cémentation on effectue le refroidissement à basse température 15 des pièces (étape 5, figure 1) à des températures comprises entre - 700C et -1960C. Le revenu 16 (étape 6, figure 1) se fait alors soit ensuite dans le four à vide ou dans un four de revenu, distinct, mis sous vide ou encore dans un four à circulation d'air à des températures allant io jusqu'à 4000C. Ensuite, on peut poursuivre le traitement des pièces (étape 7, figure 1). Le procédé selon l'invention utilise par exemple un programme de simulation pour déterminer les paramètres du procédé de carburation, en particulier la durée et le nombre des impulsions de 15 carburation pour la cémentation. C'est ainsi que par exemple avec le programme de simulation thermocalc, dans l'hypothèse de conditions d'équilibre thermodynamique, on peut calculer la teneur périphérique nécessaire en carbone pour obtenir au moins 0,6 % de la teneur en carbone dans la matrice et aboutir à la plus grande dureté possible. Comme les 20 aciers pour travail à chaud contiennent de nombreux éléments particuliers d'alliage, cette teneur périphérique en carbone est dans ce cas plus élevée en fonction de la température et ainsi du degré de dissolution du carbone. En même temps, on peut calculer la teneur volumique prévisible en carbures primaires. Le procédé selon l'invention permet également la fabrication d'une surface activée pour recevoir du carbone par un traitement réducteur avant la carburation lors de l'élévation de température et une activation thermique et chimique aux températures plus élevées que la température de carburation par addition d'hydrogène avec une pression 30 régulière ou une pression pulsée comprise entre 1 et 100 mbars. Ce traitement réduit les couches de MexOy[OH]z développées par l'usinage ECM et assure la carburation régulière dans toute la zone concernée. Les corps d'injecteurs pour l'injection directe, résistants à la température, fabriqués selon le procédé de l'invention, ont des caractéris35 tiques de résistance plus avantageuses grâce à la suppression de l'oxydation interne liée au traitement thermique sous vide. De plus, les corps d'injecteurs fabriqués selon ce procédé ont des couches périphériques carburées, régulières, dans toute la zone intérieure et toute la zone extérieure. Les corps de buses sont résistants au revenu jusqu'à au moins 3600C. REVENDICATIONS ) Procédé de cémentation de pièces en acier pour travail à chaud, par carburation en dépression, caractérisé en ce qu' - on fixe la teneur périphérique nécessaire en carbone pour la température de carburation respective par simulation thermodynamique, - on chauffe les pièces sous une atmosphère de gaz protecteur ou sous vide à une température comprise dans une plage supérieure à 4000C jusqu'à la température de carburation, on remplace l'atmosphère de gaz protecteur ou le vide par une atmosphère d'hydrogène et - on carbure les pièces et on règle la teneur périphérique fixée en carbone par diffusion. 20) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de carburation est située dans une plage allant de 9200C à 10000C. 30) Procédé selon la revendication l ou 2, caractérisé en ce qu' on effectue la carburation avec des hydrocarbures comme gaz de procédé. ) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu' on effectue la carburation dans une plage de pression de l'ordre de 2 à environ 20 mbars, de préférence avec des impulsions de pression d'une durée de 0,7 à 2 minutes et des pauses d'une durée comprise entre 0,7 et 10 minutes. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression du gaz protecteur est > 0,8 bar. 60) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit d'hydrogène est situé dans une plage de l'ordre de 100 à environ 2000 NI/h. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on pompe l'hydrogène directement avant la carburation. 80) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' après la carburation on soumet les pièces à une trempe par gaz haute pression. 1o 9 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on refroidit à basse température les pièces après la trempe par gaz à haute pression. 100) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu' après le refroidissement à basse température on soumet les pièces à un traitement de revenu.