Brevet FR2869246A1 — publié le 20051028

PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES D'UN COUPLE CONIQUE. Domaine Technique L'invention se rapporte à l'utilisation en développement et fabrication d'un 5 procédé de fabrication de pièces telles que des pignons ou couronnes dentées jouant le rôle de couple conique et équipant une ligne de transmission de véhicule motorisé. Ce procédé de fabrication comporte à la fois des étapes d'études, de méthodes et d'opérations d'usinage permettant d'obtenir les cotes préconisées lors de la conception, mais également des étapes de traitement visant à augmenter les caractéristiques mécaniques de la pièce et notamment sa dureté. En effet, ce procédé de fabrication comporte des étapes de traitement thermique et mécanique, visant à augmenter les caractéristiques mécaniques de pièces, dont leurs duretés superficielle et à coeur, tout en conservant une certaine résilience permettant le passage du couple moteur sans rupture ni dégradation de surface des pièces en contact soumises à l'engrènement. D'autre part les caractéristiques superficielles obtenues permettent de réduire l'usure des dents au sein de la ligne de transmission. Art antérieur De façon générale, les pièces formant un couple conique sont obtenues en étant soumises à des traitements différents conventionnels, dont notamment la cémentation dite "à potentiel carbone fixe" qui ne permet pas l'adaptation du profil carbone aux besoins du produit. Ces traitements thermiques permettent d'augmenter les caractéristiques mécaniques des pièces. Les pièces sont donc traitées en utilisant des traitements thermiques standards dits "à la pression atmosphérique". De plus, il faut alors procéder à une ré-austénitisation des couronnes avant d'en effectuer la trempe sous presse à l'huile pour assurer le maintien de la géométrie lors du refroidissement de la pièce. Cette huile doit donc être maintenue à température constante puis recyclée avant d'être réutilisée ou détruite. Cette solution est donc peu écologique, génère des fumées, nécessite un re-conditionnement de l'huile lorsque les paramètres ne sont plus corrects et de une filière spécifique pour sa destruction en fin de vie. Les cycles de ces procédés existants sont généralement longs, et notamment l'opération de cémentation qui peut durer une trentaine d'heure, cette durée étant fonction de l'épaisseur cémentée désirée Exposé de l'invention L'invention concerne donc un procédé de fabrication de pièces d'un couple conique équipant une ligne de transmission de véhicule motorisé et comportant les étapes de: É usinage d'un brut en acier pour parvenir aux cotes dimensionnelles des pièces; 10 É cémentation des pièces sous une pression inférieure à 1 bar; É trempe dans une enceinte fermée, au moyen d'un fluide en phase gazeuse dont la température est maintenu constante; É revenu; É rectification; É grenaillage. Ainsi, la première étape du procédé consiste à enlever de la matière au brut pour s'approcher des cotes finales que l'on souhaite obtenir. Cette opération peut comporter plusieurs types d'usinage, et notamment du tournage pour obtenir des surfaces de révolution et du taillage dit à grande vitesse permettant de réaliser les dentures droites ou hélicoïdales du pignon et de la couronne. Suit alors l'étape de cémentation des pièces, opération qui consiste en un traitement thermochimique destiné à modifier les propriétés de dureté superficielle des pièces, mais également à favoriser l'étape suivante de trempe. Ces opérations s'effectuent dans un four à basse pression et à très haute température dans le quel les pièces sont en contact avec un gaz riche en carbone, tel que du propane dépropyléné. De cette manière, la diffusion du carbone peut s'effectuer du gaz vers les pièces en respectant une gamme de cémentation définie pour atteindre les gradients de carbone nécessaires à l'utilisation du couple. Une fois la cémentation terminée, la température est ajustée vers 870 C et la trempe directe de la pièce est réalisée en faisant chuter très rapidement sa température jusqu'à la température ambiante. Cette trempe est également obtenue au moyen d'un gaz 35 refroidi et maintenu à température constante proche de la température ambiante. Une étape de revenu est ensuite nécessaire pour éviter que la pièce ne soit trop fragile. La pièce est alors chauffée à une température d'environ 200 C puis refroidie de façon progressive à l'air ambiant. Il faut alors rectifier les pièces afin de préparer le montage des roulements, mais aussi afin de corriger d'éventuelles distorsions dues à la trempe au niveau des faces arrières des couronnes. Enfin, une étape de grenaillage permet d'augmenter la résistance des rayons de raccordements des dents afin d'accroître la résistance à la flexion de celles-ci. Cette étape permet également de diminuer le taux d'austénite résiduelle en la transformant en martensite sur la couche superficielle de la pièce. Avantageusement, le gaz utilisé pour la trempe peut être de l'azote (N2) à une pression de 20 bars et une température de 25 C. Autrement dit, des moyens réfrigérants sont utilisés pour refroidir constamment l'azote pour que sa température reste constante et proche de la température ambiante. En pratique, les pièces peuvent être chauffées à une température voisine de 1000 C durant l'étape de cémentation. Ces pièces se trouvent en effet lors de cette étape dans un four qui permet d'élever la température des pièces et ainsi favoriser la diffusion du carbone présent dans le propane jusque dans la couche superficielle de ces pièces. De bons résultats ont été obtenus lors de cette étape de cémentation avec une pression de 7 millibars et une température de 980 C Avantageusement, la trempe peut être réalisée par refroidissement brutal des pièces, directement une fois l'étape de cémentation terminée. Autrement dit, la trempe consiste à refroidir très rapidement les pièces directement une fois l'opération de cémentation terminée. Les deux étapes s'enchaînent sans transition. Lors de l'étape de revenu, les pièces sont chauffées à une température voisine de 130 C puis refroidies de façon progressive à l'air ambiant. 35 Ainsi, des pièces telles qu'un pignon ou une couronne dentée d'un couple conique peuvent être fabriquées selon le procédé décrit précédemment. Description sommaire des figures La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 est un graphique représentant l'évolution de la dureté des pièces en fonction de la profondeur où elle est mesurée, à l'intérieur d'une pièce obtenue selon le procédé 10 décrit précédemment, conformément à l'invention; la figure 2 est un graphique montrant l'évolution de la teneur en carbone en fonction de la profondeur cémentée, conformément à l'invention; - la figure 3 est un graphique dans lequel doivent s'inscrire les pièces obtenues au moyen du procédé, conforme à l'invention; - les figures 4 et 5 sont des vues respectivement en coupe et en perspective partielles d'une dent de pièce, réalisée au moyen du procédé, conforme à l'invention. Manière de décrire l'invention Comme déjà évoqué, l'invention concerne un procédé de fabrication de pièces d'un 20 couple conique équipant une ligne de transmission d'un véhicule motorisé. De bons résultats ont été obtenus avec des bruts dont le matériau est choisi parmi le groupe des aciers faiblement alliés, et notamment les aciers 18NiCr13, 18CrNiMo7-6 et 18NiCrMoS4. Les bruts sont alors dans un premier temps usinés pour satisfaire aux définitions géométriques des pièces à réaliser. Un traitement thermique est ensuite réalisé dans un four. Durant ce traitement thermique et plus particulièrement pendant l'opération de cémentation, un gaz chargé en carbone injecté dans la cellule du four de façon à enrichir en carbone la couche superficielle des pièces. Le gaz utilisé peut notamment être du propane. Cette cémentation peut être mise en oeuvre dans une machine du type ICBP du constructeur ECM. La pièce est alors chauffée à une température d'austénitisation d'environ 980 C pendant une durée de 6h. Puis on réalise un refroidissement brutal des pièces au moyen d'azote (N2) refroidi et la pression de 20 bars. Le gaz est propulsé par deux turbines permettant une circulation homogène du fluide. Un revenu est ensuite réalisé, afin d'homogénéiser la structure cristalline des pièces et les rendre moins fragiles. Pour ce faire, on chauffe les pièces pendant 90 à 120 minutes à une température de 160 C. Suit une étape de rectification, puis de grenaillage de pré-contrainte, permettant de réduire la rugosité des pièces au niveau de leur surface fonctionnelle, mais également de diminuer le taux d'austénite résiduelle en le transformant en martensite. Ces différentes étapes, avec les paramètres précédemment décrits concernant la gamme de cémentation, les températures de traitement et les pressions de trempe, permettent d'obtenir la courbe représentée en figure 1. Cette figure permet de représenter l'évolution de la dureté des pièces en fonction de la profondeur à l'intérieur d'une enveloppe de tolérance représentée par les deux courbes idéales en traits forts. On remarque ainsi que la dureté des pièces évolue entre une valeur de 750 Hv à une valeur de 425 Hv à une profondeur de 2,5 mm. Cette dureté est stable plus la profondeur augmente. Cette valeur de 425 Hv est en effet caractéristique de la nature de l'acier utilisé. Cependant, la portion de courbe décroissante précédant cette zone stable est quant à elle directement fonction des paramètres de trempe et de cémentation utilisés tels que la température avant trempe et la pression du fluide de refroidissement, mais dépend également et surtout de la nature de l'acier utilisé. De manière à assure un contrôle de la qualité de la production et ce, suivant la norme NF EN ISO 2639, la profondeur conventionnelle d'une couche cémentée est déterminée comme étant la distance par rapport à la surface d'un point où la dureté HV1, dureté exprimée en Hv sous une charge d'un kilogramme, est de 550. Cette norme est couramment symbolisée par l'abréviation CHD550. La profondeur conventionnelle est tolérancée pour les zones travaillantes de la pièce. Dans le cas des pignons et des couronnes, les points de mesures sont de deux types. Tel que représenté aux figures 4 et 5, le premier point de mesure est désigné par la lettre P et correspond à la mi-hauteur du flanc de dent, à mi longueur. Le deuxième point de mesure est désigné par la lettre R et correspond au fond de dent. Pour le cas particulier des cannelures la norme CHD550 est appliquée au point P. 5 La couche superficielle des pièces ainsi traitées présente un gradient de carbone de la surface vers le coeur. La teneur optimale en carbone superficiel dépend de la nuance de l'acier utilisé. Elle est mesurée à 30 m de la surface par spectrométrie à étincelles, puis en profondeur afin d'établir un profil mesurant la quantité de carbone sur toute l'épaisseur cémentée par l'emploi d'une sonde WDS. L'austénite résiduelle est tolérée, son pourcentage pouvant aller de 0 à 20%. Sur le site de fabrication, l'estimation est effectuée au microscope optique, notamment au grossissement X500, à l'aide d'images-types. La mesure s'effectue entre 0.05 et 0.3mm du bord. Dans tous les cas l'austénite résiduelle est admise tant que la dureté superficielle reste supérieur ou égale à 680 HV. Les dosages précis des phases présentes dans la couche cémentée sont réalisés par diffraction de rayon X. La carburation doit par conséquent s'étendre au delà de 0.5mm sous la surface. 20 Puis une diminution du taux de carbone apparaît entre la couche carburée et la sous couche. La dureté superficielle est mesurée en HV20, sous une charge de 20 kilogrammes, après un léger polissage au papier abrasif de grade 600. Le contrôle peut s'effectuer par mesure sous une charge différente ou avec une méthode différente sous réserve de s'assurer de la bonne corrélation avec la mesure HV20. Concernant, la dureté en sous couche, les mesures sont réalisées en HV50, sous une charge de 50 kilogrammes, sous la zone enrichie. Dans le cas d'une denture rectifiée ou non après traitement, la dureté est mesuré au point M, tel que représenté à la figure 4, à mi longueur. Pour garantir des performances en endurance, il faut maîtriser la valeur de la carburation tout au long de l'épaisseur carburée. Ces mesures sont faites par filiation de dureté sur pièce avant toute reprise d'usinage. En cas d'opération de reprise d'usinage, la filiation de dureté sera refaite pour évaluer CHD550 et sera mentionnée dans les documents d'enregistrement. L'essai de filiation de dureté répond aux exigences de la norme NF EN ISO 2639 5 afin de pouvoir déterminer l'épaisseur conventionnelle CHD550, mesure effectuée perpendiculairement à la surface. Le gradient de dureté est la résultante du gradient de carbone de la surface vers le coeur. Ce gradient de dureté entre la surface et le coeur entraîne la formation de contraintes résiduelles de compression nécessaires à la tenue des performances. Ces contraintes de compression sont dépendantes de la concentration en élément carbone, il est donc nécessaire de respecter le profil de diffusion de l'élément carbone dans une couche cémentée. Tel que représenté à la figure 2, le profile de carbone présente trois points caractéristiques. En surface la teneur en carbone doit être comprise entre 0.65% et 0.80%. A 0.8mm de profondeur, elle doit chuter entre 0.50% et 0.065% et à la profondeur CHD550 de 0.30% à 0.040%. Pour les pignons d'attaque, les caractéristiques du point P selon la norme CHD550, sont relevées entre 1.1 et 1.6mm de profondeur. La dureté doit correspondre en ce point à une valeur comprise entre 680 et 800 HV20. Les caractéristiques du point R sont quant à elles relevées à une profondeur supérieure ou égale à 0.90mm. La dureté du point M doit correspondre à une valeur comprise entre 360 et 457 HV50. D'une manière générale, la dureté de ces pignons doit être comprise entre 59 et 63 HRC. Pour les couronnes, les caractéristiques du point P sont relevées entre 1. 1 et 1.6mm de profondeur et le rayon de raccordement doit être supérieur ou égal à lmm. La dureté au niveau de la sous couche, à la racine des dents, est comprise entre 341 et 430 HV50. D'une manière générale, la dureté de ces couronnes est comprise entre une valeur 60 et 64 HRC. Tel que représenté à la figure 3, la courbe de filiation de dureté de différentes pièces traitées, doit s'inscrire dans ce graphique pour une épaisseur CHD 550 comprise 35 entre 1.1 et 1.6mm. Il ressort de ce qui précède qu'un procédé conforme à l'invention présente de multiples avantages, notamment: É il permet d'augmenter la dureté de pièces avec un temps de traitement inférieur par rapport aux procédés standards, utilisant une trempe à l'huile sous presse ou libre; É ce procédé est également très écologique car l'azote utilisé pour la trempe peut être soit récupéré, soit rejeté dans l'atmosphère; É le coût d'un tel procédé est très inférieur aux procédés atmosphériques car les cycles de traitement sont plus courts, les temps d'immobilisation plus courts si une intervention est réalisée et une meilleure productivité globale est réalisée. Revendications 1. Procédé de fabrication de pièces d'un couple conique équipant une ligne de transmission de véhicule motorisé comportant les étapes de: É usinage d'un brut en acier pour parvenir aux cotes dimensionnelles des pièces; É cémentation des pièces sous une pression inférieure à 1 bar; É trempe dans une enceinte fermée au moyen d'un fluide en phase gazeuse dont la température est maintenu constante; É revenu à partir d'une température inférieure à 200 C; É rectification; É grenaillage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz utilisé pour la 15 trempe est de l'azote à une pression 20 bars et une température de 25 C. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces sont chauffées à une température voisine de 1000 C durant l'étape de cémentation. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la trempe est réalisée par refroidissement brutal des pièces, directement une fois l'étape de cémentation terminée. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revenu des pièces consiste à chauffer les pièces à une température voisine de 130 C puis de laisser les 25 pièces refroidir de façon progressive à l'air ambiant. 6. Pièce d'un couple conique fabriquée selon le procédé décrit dans l'une des revendications précédentes.