Brevet FR2999608A1 — publié le 20140620

PROCEDE DE REVÊTEMENT D'UN ELEMENT EN FONTE DESTINE A UN SYSTÈME DE FREINAGE, ET ELEMENT EN FONTE CORRESPONDANT L'invention concerne les procédés de traitement de pièces mécaniques en fonte. Ces procédés permettent l'introduction par diffusion d'azote au niveau de la surface des pièces pour en améliorer la dureté et la tenue en fatigue. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'industrie automobile pour le renforcement de pièces mécaniques telles que des pièces composant les systèmes de freinage. Ces pièces sont en effet exposées à des frottements très importants en fonctionnement. Un frein à tambour est un système de freinage souvent utilisé sur des véhicules automobiles. Il est constitué d'un tambour fixé sur le moyeu de la roue à freiner. A l'intérieur du tambour se trouvent au moins deux mâchoires munies de garnitures. Leur fonction est de s'écarter grâce à des cames ou des pistons qui provoquent le frottement entre la garniture et la surface intérieure du tambour. Les cames sont actionnées par une commande mécanique telle qu'un câble et les pistons sont actionnés par une commande hydraulique. La face intérieure du tambour est usée par l'actionnement du frein. Un autre système de freinage fréquemment utilisé sur des véhicules automobiles est le système de freinage à disque. Dans un tel système, un disque est fixé sur le moyeu de la roue à freiner, et des plaquettes sont disposées de façon à venir frotter de chaque côté du disque. Les plaquettes sont maintenues dans un étrier dans le cas d'un frein fixe, ou une chape dans le cas d'un frein coulissant. Ces éléments de maintien sont fixés au véhicule. Lors d'un freinage, un ou plusieurs mécanismes sont actionnés par le chauffeur et poussent sur les plaquettes. Les moyens d'actionnement comprennent en général un ou plusieurs pistons soumis à une pression hydraulique. L'effort ainsi généré provoque le serrage puis le frottement des plaquettes sur le disque de freinage. La force de frottement entre les plaquettes et le disque crée le couple de freinage, qui diminue progressivement la vitesse de rotation de la roue à freiner, de façon généralement proportionnelle à l'effort appliqué. Les plaquettes d'une part et le disque de freinage d'autre part sont les pièces du système principalement exposées à l'usure, notamment parce que ces pièces subissent un frottement intensif. Typiquement les tambours et disques de frein sont produits en fonte, qui est un alliage de fer riche en carbone. Lors d'un freinage, un disque de frein non traité perd une quantité de poussière de fonte sur la piste de freinage, qui correspond à la partie annulaire du disque contactée par les plaquettes. La poussière libérée peut se poser sur le disque et détériorer les performances du système lors du prochain freinage. Lorsque le véhicule équipé d'un tel disque est également équipé de jantes en alliage léger, qui laissent les disques apparents, la poussière vient noircir les jantes de manière apparente. De plus, l'immobilisation pendant quelques jours d'un tel véhicule entraine une oxydation rapide de la piste de freinage du disque. Une piste de rouille peu esthétique devient alors visible à travers les jantes. Des problèmes similaires de génération de poussière et d'oxydation se présentent dans le cas de tambour de freins en fonte non-traités. Il est connu d'enrober des tambours et des disques de frein en fonte par un revêtement à base de zinc. Le revêtement a pour but une protection à la corrosion. En général, le revêtement est cependant usé au bout d'un nombre restreint de freinages. Pour l'exemple du disque de frein, le revêtement usé laisse donc réapparaître à nouveau la piste de freinage après un nombre restreint de freinages. Un disque en fonte connu revêtu de zinc exhibe donc à terme des problèmes de production de poussière et d'oxydation similaires à ceux d'un disque non traité. L'invention a pour objectif de pallier à au moins un des problèmes rencontrés dans l'art antérieur. En particulier, l'invention a pour objectif de proposer un procédé de traitement des pièces en fonte destinées à faire partie du système de freinage d'un véhicule, dans le but de pérenniser la tenue des pièces face aux frottements auxquelles elles sont exposées, et d'augmenter leur résistance à l'oxydation. 2 9 9 9 608 3 L'invention a pour objet un procédé de traitement thermique d'une pièce en fonte destinée à faire partie du système de freinage d'un véhicule. Le procédé est remarquable en ce qu'il comprend une étape de nitruration ionique. La nitruration ionique confère à la pièce une couche de nitrure de fer superficielle. 5 De manière préférée, la pièce en fonte peut être un disque de freinage ou un tambour de freinage. L'étape de nitruration ionique se fait de préférence en présence d'azote et d'hydrogène. La couche de nitrure de fer superficielle appliquée à la pièce en fonte peut de 10 préférence avoir une épaisseur comprise entre 10 à 20 ilm. La couche peut avoir une épaisseur homogène. L'invention a également pour objet une pièce en fonte destinée à faire partie du système de freinage d'un véhicule. La pièce en fonte est remarquable en ce qu'elle comprend une couche superficielle de nitrure de fer. 15 De manière préférée la pièce en fonte peut être un disque de freinage ou un tambour de freinage. L'épaisseur de la couche de nitrure de fer superficielle de la pièce en fonte peut être comprise entre 10 à 20 um. L'invention a également pour objet un système de freinage d'un véhicule. Le 20 système de freinage est remarquable en ce qu'il comprend une pièce en fonte conforme à la présente invention. Le procédé de nitruration ionique est un procédé de traitement thermique de diffusion de non-métaux. Grâce à ce traitement thermique, il est possible d'obtenir une couche superficielle protectrice dure présentant une tenue à 25 l'usure supérieure aux couches de revêtements de disques ou de tambours de freins connus. La production de poussière de fonte et son dépôt sur les pièces avoisinantes du véhicule est fortement réduite par l'utilisation de la présente invention. La bonne tenue à la corrosion du revêtement obtenu permet au disque et au tambour de garder un aspect gris mat qui évite l'apparence inesthétique de rouille sur la piste de freinage d'un véhicule restant immobilisé sans utilisation des freins pendant quelques jours. Grâce à la couche superficielle obtenue par le procédé proposé, la durée de vie des pièces traitées est généralement multipliée par deux. Le procédé de traitement par nitruration prend lieu dans un four comprenant un tube de décharge dans lequel la cathode sert de support à la charge, les parois du four constituant l'anode. Des fours adaptés à la nitruration permettent la formation d'un plasma ionisant. Une basse pression de l'ordre de quelques centaines de mbar peut être maintenue dans l'enceinte interne du four grâce à une canalisation d'extraction reliée à un extracteur. Un injecteur, comprenant généralement une pluralité de buses, permet d'introduire des gaz dans l'enceinte interne du four. L'installation comprend à cet effet des moyens d'approvisionnement en gaz contrôlés par des vannes. L'actionnement des différentes vannes permet l'injection dans l'enceinte interne du four des différents gaz de nitruration via l'injecteur. Des moyens de chauffage permettent d'élever et de maintenir la température interne du four aux valeurs de mise en oeuvre du procédé. La charge du four et composée d'une ou de plusieurs pièces en fonte à traiter, par exemple des disques de frein. Dans une première étape, après la mise en place de la charge sur la cathode, un vide ou une basse pression est réalisé dans l'enceinte du four. Un gaz réactif, tel que l'azote, y est introduit. Alternativement, de l'hydrogène et du méthane peuvent également être introduits dans l'enceinte du four ionisant. Après application d'une différence de potentiel de 300 V à 1000 V entre les deux électrodes, un plasma luminescent composé d'ions actifs se propage aux alentours des pièces de la charge. On obtient ainsi le chauffage et le décapage de la surface des pièces par dissipation de l'énergie cinétique des ions en énergie calorifique. Le cycle comprend une première phase de montée en température accompagnée d'un décapage ionique sous hydrogène. Le cycle comprend ensuite une phase de maintien à température se situant entre 450 °C et 570 °C, par exemple de l'ordre de 540°C, pendant 2 ou 3 heures. Une implantation d'ions à lieu à la surface du métal. Ainsi est fourni l'azote nécessaire à la formation des nitrures métalliques. Il se forme en surface une couche mince et dure de nitrure de fer. Cette couche est généralement appelée « couche blanche » ou « couche de combinaison » et comprend suivant l'apport en azote et la durée de l'opération du Fe4N seul ou un mélange de Fe4N (nitrure gamma prime y') et Fe3N (nitrure epsilon c). L'étape de nitruration est conduite de manière à augmenter la teneur surfacique en azote des pièces jusqu'à une teneur de 15 % d'azote (pourcentage donné en masse totale), de préférence comprise entre 5 et 10 %. L'épaisseur de la couche de combinaison va croître en fonction de la température et de la durée du traitement. Sous cette couche de combinaison se trouve la couche de diffusion dans laquelle l'azote diffuse selon un gradient de teneur en fonction notamment du temps. De manière générale, la durée de l'opération de nitruration est fonction de l'épaisseur des couches nitrurées voulues. La température du traitement et la teneur en azote déterminent les caractéristiques de la couche de diffusion et de la couche de combinaison qui sont créées. Les mélanges pauvres en azote permettent d'obtenir des couches profondes de diffusion avec de faibles couches de combinaison, tandis que les mélanges riches en azote permettent d'obtenir des couches de combinaison importantes. Plus la température augmente, plus la diffusion de l'azote dans le métal est importante. Les nitrures E apportent une dureté supérieure aux nitrures y' et présentent un très bon coefficient de frottement. En ajustant l'apport d'azote lors du traitement par nitruration ionique, il est possible d'optimiser la nature des couches obtenues en fonction des caractéristiques mécaniques visées. Le traitement n'est pas directionnel et on obtient un durcissement superficiel, uniforme et homogène, ce qui est également intéressant pour des pièces à géométrie complexe. Après la fin de la phase de nitruration ionique, le traitement s'achève par une phase de refroidissement forcée sous convection d'azote dans l'enceinte du four. Le refroidissement se fait par exemple par une soufflerie faisant partie du four utilisé. Le procédé selon la présente invention permet d'obtenir des disques, tambours et autres parties en fonte destinées à être utilisées dans un système de freinage d'un véhicule, comprenant des couches superficielles de nitrures de fer d'une épaisseur allant de 10 à 20 um. Un système de frein équipé de telles pièces présente une longévité accrue grâce aux propriétés tribologiques et mécaniques augmentées des pièces traitées. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement thermique d'une pièce en fonte destinée à faire partie du système de freinage d'un véhicule, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape de nitruration ionique, de façon à ce que la pièce obtienne une couche de nitrure de fer superficielle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce est un disque de freinage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce est un tambour de freinage. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de nitruration ionique se fait en présence d'azote et d'hydrogène. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de nitrure de fer superficielle a une épaisseur comprise entre 10 et 20 um. 6. Pièce en fonte destinée à faire partie du système de freinage d'un véhicule, caractérisée en ce que la pièce comprend une couche superficielle de nitrure de fer. 7. Pièce en fonte selon la revendication 6, caractérisée en ce que la pièce est un disque de freinage. 8. Pièce en fonte selon la revendication 6, caractérisée en ce que la pièce est un tambour de freinage. 9. Pièce en fonte selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche de nitrure de fer superficielle est comprise entre 10 et 20 um. 10. Système de freinage d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce en fonte selon l'une des revendications 6 à 9.