Brevet FR2909100A1 — publié le 20080530

L'invention concerne un procédé de renforcement d'une zone de sous-surface d'une pièce en acier comprenant au moins 0,65% en poids de carbone, une telle pièce en acier présentant une zone de sous-surface renforcée, ainsi qu'un roulement dont une pièce constitutive, notamment l'une des bagues mais éventuellement les corps roulants, est une telle pièce renforcée dans laquelle au moins une partie de la zone de surface a été enlevée. De façon avantageuse, l'invention trouve son application pour le renforcement des bagues d'un roulement de boîte de vitesses pour véhicule automobile, lesdites bagues étant obtenues par rectification d'une pièce en acier riche en carbone. En effet, ce type de roulements étant lubrifié par l'huile de la boite, les bagues sont soumises à une pollution par des particules solides qui, lors, de la rotation, peuvent provoquer des défauts de surfaces (appelés indents). Or, dans des aciers non renforcés, ces défauts de surface peuvent provoquer une détérioration de la bague dans le ternps sous l'effet des contraintes subies lors de l'utilisation. En outre, ces roulements peuvent avoir à fonctionner dans des conditions de lubrification sévères, ce qui est également préjudiciable à la durée de vie du roulement. En particulier, le renforcement suivant l'invention permet de proposer des roulements de boîte de vitesses qui présentent: une durée de vie améliorée. On connaît de l'art antérieur des procédés de renforcement qui comprennent un traitement de carbonitruration des aciers qui, en enrichissant la couche superficielle en azote et en carbone, permettent après trempe et revenu d'obtenir un durcissement de ladite surface. En particulier, le document EP-A-0 626 468 décrit l'application d'un tel procédé à un acier riche en carbone. Toutefois, l'utilisation de la carbonitruration selon l'art antérieur ne permet pas notamment d'obtenir des bagues de roulement qui présentent des caractéristiques optimales vis-à-vis de la durée de vie. En outre, la 2909100 2 carbonitruration selon l'art antérieur ne permet pas d'obtenir des pièces dont la surface est propre, notamment en étant exempte de calamine et/ou de suie. On connaît par ailleurs, notamment des documents FR-A1-2 777 911 et FR-A1- 5 2 884 523, des procédés de carbonitruration à basse pression de pièce en alliage métallique. Ce type de procédés présente l'avantage d'améliorer la réactivité des espèces carburantes et nitrurantes du fait de l'absence quasi-totale d'oxygène dans les gaz de carbonitruration. En effet, l'oxygène est susceptible de gêner l'introduction du carbone et de l'azote dans la pièce. Par 10 ailleurs, l'absence d'oxygène empêche tout risque de décarburatüon à la surface de la pièce, ce qui permet de travailler à faible activité carbone, limitant ainsi la formation de suies à la surface de la pièce. Ceci permet également de supprimer les risques de corrosion intergranulaire, et de limiter Ila formation de calamine. 15 L'invention vise notamment à proposer l'utilisation d'un traitement de carbonitruration basse pression pour le renforcement d'une zone de sous-surface d'une pièce en acier riche en carbone. En particulier, après retrait au moins partiel de la zone de surface, le renforcement selon invention permet 20 d'allier la dureté de la surface fonctionnelle d'une pièce à sa capacité à conserver l'intégrité de celle-ci vis-à-vis des contraintes mécaniques et thermiques subies. A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose un procédé de 25 renforcement d'une zone de sous-surface d'une pièce en acier comprenant au moins 0,65% en poids de carbone, ledit procédé prévoyant un traitement de carbonitruration de ladite zone de sous-surface qui forme de l'austénite dans ladite zone de sous-surface, ledit traitement de carbonitruration prévoyant de soumettre la pièce à l'action d'un gaz nitrurant dans un mélange gazeux à une 30 pression inférieure à 300 hPa, à une température supérieure à 750 C et pendant une durée suffisante pour permettre d'une part l'enrichissement en azote de la zone de sous-surface et d'autre part l'enrichissement en carbone de 2909100 3 ladite zone de sous-surface par diffusion dans celle-ci d'une partie du carbone présent dans la zone de surface. Selon un deuxième aspect, l'invention propose une pièce en acier comprenant 5 au moins 0,65% en poids de carbone, ladite pièce présentant une zone de surface d'épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,2 mm et une zone de sous-surface d'épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,4 mm, ladite zone de sous-surface ayant été renforcée par mise en oeuvre d'un tel procédé. ladite zone de sous-surface présentant un profil de quantité en poids d'austénite qui est 10 compris entre 10% et 30%. Selon un troisième aspect, l'invention propose un roulement comprenant une bague intérieure, une bague extérieure et des corps roulants disposés entre lesdites bagues de sorte à permettre la rotation relative desdites bagues, dans 15 lequel au moins l'une des bagues et/ou les corps roulants sont une telle pièce dans laquelle au moins une partie de la zone de surface a été retirée. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit. 20 Le procédé selon l'invention a pour but de renforcer la zone de sous-surface d'un pièce en acier riche en carbone, notamment d'une pièce en acier comprenant au moins 0,65% en poids de carbone, plus précisément entre 0,75% et 1,1% en poids de carbone. En particulier, la mise en oeuvre du 25 procédé permet, après retrait au moins partiel de la zone de surface de la pièce et donc disposition d'une surface fonctionnelle en surface de la pièce, d'améliorer les propriétés mécaniques de surface de la pièce en acier, notamment la dureté et la capacité à conserver son intégrité. 30 Dans le cadre de la description, la pièce présente une zone de surface d'épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,2 mm, une zone de sous-surface qui s'étend depuis la zone de surface sur une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,4 mm, une zone de coeur qui s'étend à partir de la zone de sous-surface. 2909100 4 De façon avantageuse, le procédé selon l'invention permet d'améliorer la résistance à l'indentation et de limiter les dégradations générées dans le temps par des contraintes mécaniques et thermiques, notamment au niveau des 5 indents, ce qui permet de conserver l'intégrité de la surface fonctionnelle dans le temps. Les aciers utilisés dans le procédé selon l'invention incluent. au moins un élément d'alliage pris dans le groupe comprenant le silicium, le phosphore, le 10 molybdène, le manganèse, le chrome, le soufre, le nickel, le vanadium, l'aluminium, le cuivre, le tungstène, le titane, le cobalt, le plomb, le reste étant du fer. Les aciers riches en carbone sont utilisés dans des domaines d'application pour 15 lesquels des charges importantes, tant statiques que dynamiques, sont subies. En particulier, pour réaliser les parties constitutives des roulements, on utilise ce type d'acier, et notamment un acier dénommé 1000r6 dont la composition en pourcentage pondéral est dans les plages données ci-dessous : C: 0,95 ù 1,05 Si : 0,17 ù 0,37 Mn: 0,2ù0,4 P: 0ù0,027 S: 0ù0,02 Cr: 1,3ù1,65 Mo: 0ù0,15 Ni : 0ù0,3 V: 0ù0,1 Al: 0ù0,1 Cu: 0ù0,25 W: 0ù0,1 Ti : 0ù0,05 Co : 0ù0,1 Pb : 0 ù 0,15 Fe : le reste 20 La mise en oeuvre du procédé sur des aciers de ce type permet d'obtenir des parties constitutives de roulements qui présentent une durée de vie améliorée du fait de la limitation des dégâts occasionnés par les contacts entre les polluants solides et les surfaces fonctionnelles de ces pièces, ainsi que par les 25 conditions de fonctionnement en lubrification sévère. 2909100 5 Le procédé de renforcement comprend un traitement de carbonitruration de la zone de sous-surface qui est prévu pour former, dans ladite zone de sous-surface, un mélange de structures riches en carbone et en azote, notamment 5 de l'austénite, de fins précipités contenant du carbone et de l'azote, de la martensite fortement alliée. En outre, le traitement de carbonitruration confère des caractéristiques mécaniques intéressantes, notamment des contraintes de compression. En effet, de façon connue, la carbonitruration permet, par craquage des gaz de traitement directement sur la pièce, d'enrichir la pièce en 10 azote et en carbone par diffusion en phase austénitique. Le traitement de carbonitruration prévoit un enrichissement en azote à basse pression de la pièce dans un four adapté à cet effet. Pour ce faire, la pièce est soumise à l'action d'un gaz nitrurant dans un mélange gazeux à une pression 15 inférieure à 300 hPa et à une température supérieure à 750 C. Ainsi, avec un temps de traitement adapté, notamment la zone de sous-surface de la pièce est enrichie en azote avec les avantages de la basse pression, en particulier relativement à la quasi-absence d'oxygène dans l'atmosphère pour empêcher tout risque de décarburation à la surface de la pièce et supprimer les risques de 20 corrosion intergranulaire. Concernant l'enrichissement de la zone de sous-surface en carbone, l'invention prévoit de façon principale que les conditions de traitement d'enrichissement en azote permettent la diffusion d'une partie du carbone de la zone de surface 25 dans la zone de sous-surface. En particulier, cette diffusion est favorisée par la richesse de l'acier en carbone et par l'enrichissement en azote de la zone de surface. En outre, l'utilisation d'un mélange gazeux à basse pression empêche la décarburation depuis la 30 zone de surface dans ledit mélange, de sorte que le carbone de ladite zone de surface est disponible pour la diffusion. En outre, le procédé selon l'invention permet de limiter la formation de calamine et/ou de suie sur la surface. 2909100 6 Par conséquent, l'enrichissement en azote à basse pression de la zone de surface induit la carbonitruration de la zone de sous-surface. En d'autres termes, le profil de quantité en poids de carbone va diminuer dans la zone de surface par rapport à la quantité nominale de carbone dans l'acier, pour 5 augmenter dans la zone de sous-surface. Dans un exemple de réalisation, lors du traitement de carbonitruration de la zone de sous-surface, la pression est comprise entre 2 et 80 hPa, la température est comprise entre 820 C et 900 C, la durée est comprise entre 2 10 et 6 heures. En effet, dans le cas où le gaz nitrurant, notamment comprenant de l'ammoniac, est introduit en continu dans le mélange gazeux tout au long du traitement de carbonitruration, ces conditions de traitement permettent un enrichissement de la zone de sous-surface tant en azote provenant du gaz nitrurant qu'en carbone provenant de la zone de surface. En variante, le gaz 15 nitrurant peut être introduit par pulses dans le mélange gazeux. Selon une réalisation, pour améliorer la diffusion de carbone dans la zone de sous-surface, un gaz cémentant, notamment comprenant un alcane, un alcène ou un alcyne, par exemple de l'acétylène, peut être introduit de façon ponctuelle 20 dans le mélange gazeux lors du traitement de carbonitruration. Toutefois, la quantité de gaz cémentant introduite est inférieure à la quantité nécessaire pour enrichir en carbone la zone de sous-surface selon les procédés de carbonitruration connus. Par exemple, le volume de gaz de cémentation qui est introduit dans le mélange gazeux est compris entre 0,3% et 3% du volume de 25 gaz nitrurant. En particulier, le gaz cémentant peut être introduit en plusieurs pulses, c'est-à-dire par un flux de gaz de courte durée, par exemple inférieure à une minute. En outre, les pulses peuvent être prévus essentiellement au début du traitement 30 de carbonitruration de sorte à contribuer à la diffusion de carbone dans la zone de sous-surface. Par exemple, au moins 50% du gaz cémentant est introduit durant la période comprise entre le début et 25% de la durée du traitement de 2909100 7 carbonitruration. En variante, on peut également prévoir quelques pulses de gaz cémentant en fin de traitement de carbonitruration. En outre, lors du traitement de carbonitruration, un gaz support peut être 5 introduit de façon ponctuelle dans le mélange gazeux. Ce gaz support, par exemple comprenant de l'azote, a pour fonction de lutter contre l'introduction d'oxygène dans le four. Pour ce faire, il est envisageable que l'introduction du gaz support soit également réalisée sous la forme de pulses. Dans ce cas, les introductions respectives du gaz support et du gaz cémentant peuvent être 10 réalisées de façon alternées. Postérieurement au traitement de carbonitruration, le procédé de renforcement comprend au moins un traitement de déstabilisation d'une partie de l'austénite en martensite notamment dans la zone de sous-surface. Le traitement de 15 déstabilisation peut être choisi parmi une trempe à l'huile, une trempe au gaz, une trempe au sel, une trempe eau i- polymère, un traitement par cryogénie, un grenaillage de la surface, un galetage de la surface, ou une combinaison de ces traitements. 20 Dans un exemple de réalisation, le procédé comprend deux traitements successifs de déstabilisation, le premier comprenant une trempe de la pièce, notamment une trempe au gaz. Le deuxième traitement comprend une cryogénie, notamment réalisée à une température comprise entre 0 C et -100 C et pendant un temps compris entre 0,5 heure et 1,5 heures. Notons que, 25 plus la température utilisée est basse, plus l'austénite est transformée en martensite, ce qui induit une augmentation de la dureté de la pièce. En particulier, on peut estimer qu'une température de -65 C transforme en moyenne 50% de l'austénite présente, la transformation étant toutefois légèrement plus marquée dans les zones les plus enrichies. 30 En variante, au lieu d'une déstabilisation par des contraintes thermiques, le deuxième traitement de déstabilisation peut utiliser des contraintes mécaniques, notamment de grenaillage ou de galetage, qui ont également pour 2909100 8 effet de transformer l'austénite en martensite et d'apporter des contraintes de compression supplémentaires. Le traitement de déstabilisation ne transforme qu'une partie de l'austénite, ce 5 qui permet d'en conserver une quantité suffisante pour combiner dureté de la martensite et capacité de conserver l'intégrité de la surface qui est principalement apportée par l'austénite. Par conséquent, le traitement peut être adapté afin d'obtenir les quantités optimales d'austénite et de martensite par rapport à la tenue mécanique et thermique de bagues de roulement, 10 notamment pour boîtes de vitesses. A la suite du traitement de déstabilisation, le procédé prévoit un traitement final de défragilisation de la pièce qui peut comprendre un revenu réalisé par exemple à une température comprise entre 150 C et 250 C pendant un temps 15 compris entre 1 heure et 3 heures. Par ailleurs, le procédé peut également comprendre des traitements de lavage de la pièce, notamment de sa surface, avant le traitement de carbonitruration, et éventuellement entre chaque autre traitement, de sorte à limiter la présence 20 néfaste de dépôts adhérents sur la pièce. A l'issue du procédé de renforcement, on obtient une zone de sous-surface qui présente notamment les caractéristiques avantageuses suivantes : - augmentation de la dureté de manière que la géométrie des défauts soit 25 moins nocive pour la durée de vie de la pièce ; - structure métallurgique capable d'amortir le passage répété de charge sur des indents. Ceci est obtenu par une structure riche en austénite stable thermiquemerit et mécaniquement car très enrichie en azote et en carbone ; 30 - contraintes résiduelles de compression importantes et présence d'austénite résiduelle tenace de manière à limiter la propagation des fissures ; - conservation d'une aptitude à la mise en forme. 2909100 9 En outre, on obtient un faible taux d'austénite résiduelle à coeur qui garantit la stabilité dimensionnelle du roulement en application. On donne ci-dessous un exemple de réalisation d'un procédé mis en oeuvre sur 5 une bague de boîte de vitesses réalisée en acier 100Cr6 : lavage préalable ; - carbonitruration sous vide poussé (typiquement 60 hPa) dans un four à 870 C dans lequel de l'ammoniac est introduit en continu pendant 4 heures. Pendant la première heure de traitement, introduction de 8 10 pulses d'acétylène. Introduction de 8 pulses d'azote qui sont analogues aux pulses d'acétylène et alternés avec eux ; - trempe à l'azote sous 20 bars pendant environ 7 minutes ; cryogénie autour de -65 C pendant 1 heure ; revenu à 170 C pendant 1 heure. 15 La pièce obtenue par mise en oeuvre d'un tel procédé présente une zone de surface d'épaisseur comprise entre 0,05 mm et 0,2 mm et une zone de sous-surface d'épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,4 mm, ladite zone de sous-surface étant renforcée en présentant un profil de quantité en poids d'austénite 20 qui est compris entre 10% et 30%, notamment comprise entre 13% et 25%. La pièce présente également comme caractéristiques mécaniques avantageuses pour la zone de sous-surface : -une dureté Vickers comprise entre 800 et 920 ; 25 - des valeurs de contraintes en compression comprise entre -100 MPa et -350 MPa. L'invention concerne également un roulement dont notamment l'une des bagues est renforcée. Pour ce faire, au moins une partie de la zone de surface 30 est retirée, par exemple par rectification, de sorte à disposer d'une surface fonctionnelle présentant des propriétés intéressantes. En particulier, la surface fonctionnelle peut comprendre la zone de sous-surface qui a été renforcée ou 2909100 10 comprendre une partie de la zone de surface qui est riche en azote dans le cas où ladite zone de surface n'a pas été entièrement retirée. REVENDICATIONS 1. Procédé de renforcement d'une zone de sous-surface d'une pièce en acier comprenant au moins 0,65% en poids de carbone, ledit procédé prévoyant un traitement de carbonitruration de ladite zone de sous- surface qui forme de l'austénite dans ladite zone de sous-surface, ledit traitement de carbonitruration prévoyant de soumettre la pièce à l'action d'un gaz nitrurant dans un mélange gazeux à une pression inférieure à 300 hPa, à une température supérieure à 750 C et pendant une durée suffisante pour permettre d'une part l'enrichissement en azote de la zone de sous-surface el: d'autre part l'enrichissement en carbone de ladite zone de sous-surface par diffusion dans celle-ci d'une partie du carbone présent dans la zone de surface. 2. Procédé de renforcement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz nitrurant est introduit en continu dans le mélange gazeux. 3. Procédé de renforcement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz nitrurant comprend de l'ammoniac. 4. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lors du traitement de carbonitruration, la pression est comprise entre 2 et 80 hPa, la température est comprise entre 820 C et 900 C, la durée est comprise entre 2 et 6 heures. 5. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, lors du traitement de carbonitruration, un gaz cémentant est introduit de façon ponctuelle dans le mélange gazeux. 30 6. Procédé de renforcement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gaz cémentant est introduit en plusieurs pulses. 25 2909100 12 7. Procédé de renforcement selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'au moins 50% du gaz cémentant est introduit durant la période comprise entre le début et 25% de la durée du traitement de carbonitruration. 5 8. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le gaz cémentant comprend un alcane, un alcène ou un alcyne. 9. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, 10 caractérisé en ce que le volume de gaz cémentant qui est introduit dans le mélange gazeux est compris entre 0,3 % et 3% du volume de gaz nitrurant. 10. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que, lors du traitement de carbonitruration, un gaz support est 15 introduit de façon ponctuelle dans le mélange gazeux. 11. Procédé de renforcement selon la revendication 10, caractérisé en ce que les introductions respectives du gaz support et du gaz cémentant sont réalisées de façon alternée. 12. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, postérieurement au traitement de carbonitruration, au moins un traitement de déstabilisation d'une partie de l'austénite de la zone de sous-surface en martensite. 13. Procédé de renforcement selon la revendication 12, caractérisé en ce que le traitement de déstabilisation est choisi parmi une trempe à l'huile, une trempe au gaz, une trempe au sel, une trempe eau + polymère, un traitement par cryogénie, un grenaillage de la surface, un galetage de la surface, ou une combinaison des ces traitements. 20 2909100 13 14. Procédé de renforcement selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un traitement final de défragilisation, ledit traitement comprenant notamment un revenu. 5 15. Pièce en acier comprenant au moins 0,65% en poids de carbone, ladite pièce présentant une zone de surface d'épaisseur comprise enivre 0,05 mm et 0,2 mm et une zone de sous-surface d'épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,4 mm, ladite zone de sous-surface ayant été renforcée par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, ladite zone de sous-surface présentant un profil de quantité en poids d'austénite qui est compris entre 10% et 30%. 16. Pièce en acier selon la revendication 15, caractérisée en ce que la zone de sous-surface présente une dureté Vickers comprise entre 800 et 920. 17. Pièce en acier selon la revendication 15 ou 16, caractérisée en ce que l'acier est de type 1000r6. 18. Roulement comprenant une bague intérieure, une bague extérieure et des 20 corps roulants disposés entre lesdites bagues de sorte à permettre la rotation relative desdites bagues, dans lequel au moins l'une des bagues et/ou les corps roulants sont une pièce selon l'une quelconque des revendications 15 à 17 dans laquelle au moins une partie de la zone de surface a été retirée. 15 25