Brevet FR3058423A1 — publié le 20180511

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un procédé de trai- tement thermique d'une pièce en un acier fortement allié, selon lequel on chauffe la pièce à une première température dans un environnement sous vide, on maintient constante la première température au cours d'une première phase de maintien et ensuite, on chauffe la pièce à une seconde température, supérieure à la première température, on maintient constante la seconde température pendant une seconde phase de maintien et après la seconde phase de maintien, on soumet la pièce à une trempe. Etat de la technique Pour augmenter la résistance aux efforts alternés, la ré- sistance à la corrosion ainsi que la tenue à l'usure de pièces métalliques, il est connu de nitrurer des zones de la pièce proches de la surface. Par l'opération de nitruration, différents nitrures se déposent dans la surface de la pièce métallique. Cela se traduit par des contraintes internes de pression qui peuvent prendre partiellement des niveaux très élevés dans les zones marginales. Les contraintes propres diminuent en fonction de leur distance par rapport à la surface à me- sure que l'on s'éloigne du bord. Les contraintes propres de pression améliorent la tenue aux efforts alternés. La nitruration est utilisée entre autres pour des aciers fortement alliés, notamment des pièces telles que des corps de buse, des corps de soupape ou des clapets. Du fait de la forte affinité à l'oxygène des éléments de l'alliage, les aciers fortement alliés développent naturellement une couche d'oxyde de quelques nanomètres. Cette couche d'oxyde se développe au contact avec l'air et se compose principalement d'oxyde de chrome, d'oxyde de vanadium et d'oxydes de fer ainsi que d'autres oxydes. Comme la couche d'oxydes est très compacte et qu'elle est en partie étanche à la diffusion, cela ne permet plus une diffusion ulté- rieure d'azote aux températures élevées, notamment comprises entre 480°C et 590°C qui est influencée négativement, voire complètement bloquée. Cela se traduit par des couches de liaison non homogènes ainsi que de couches de diffusion ayant des propriétés fonctionnelles diffé- rentes. La couche d'oxydes d'origine naturelle peut s'enlever avant le 3058423 2 procédé de nitruration proprement dit, par un procédé chimique, par attaque avec un acide. En outre, on peut également enlever la couche d'oxydes mécaniquement en brossant et/ou en meulant ou aussi de manière électrique en appliquant une tension appropriée. 5 Le développement d'une couche d'oxydes sur un alliage fortement allié au contact de l'air présente des inconvénients pour le traitement ultérieur de la surface ou pour enlever la couche d'oxydes. En attaquant avec de l'acide, on forme souvent des marques locales à cause de la différence d'épaisseur des couches d'oxydes ; ensuite, par 10 un traitement mécanique, il faut éliminer les résidus par des opérations de nettoyage ou d'enlèvement qui sont délicates. On a en outre constaté que des pièces ayant une géométrie complexe ne permettent pas d'obtenir l'effet souhaité par un traitement chimique, mécanique ou électrique à cause précisément de la géométrie complexe des pièces. En 15 particulier, les trous borgnes sont difficilement accessibles et on ne peut garantir l'enlèvement optimum de la couche d'oxydes. Cela se traduit nécessairement par des défauts après la nitruration ou à des couches de liaison et de diffusion non homogènes de sorte que les pièces risquent d'être rapidement défaillantes. 20 Le document EP 1 122 331 B1 décrit un procédé de trai- tement thermique de pièces métalliques, notamment pour nitrurer ou nitrocarburer des métaux ferreux alliés. Tout d'abord, on chauffe les pièces dans un four de nitruration à une température comprise entre 400°C et 500°C, dans une atmosphère gazeuse contenant de 25 l'ammoniac. Ensuite, on chauffe les pièces à une température comprise entre 500°C et 700°C dans une atmosphère gazeuse d'ammoniac et on ajoute un agent d'oxydation. Les pièces sont exposées à cette atmosphère gazeuse et à cette température pendant une durée allant jusqu'à cinq heures. 30 But de l'invention La présente invention a pour but de développer un traitement thermique de pièces en acier fortement allié. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de traite- 35 ment thermique du type défini ci-dessus caractérisé en ce que pendant 3058423 3 la première phase de maintien, on balaie la surface de la pièce dans une première étape de traitement avec un gaz de procédé et/ou un mélange de gaz de procédé dégageant de l'hydrogène pour nettoyer et activer la surface, 5 * pendant la première phase de maintien, dans une étape de traite- ment, on balaie la surface avec un gaz de procédé et/ou un mélange de gaz de procédé dégageant de l'azote pour former une couche contenant du nitrure, * la couche contenant du nitrure optimisant le procédé de nitrura- 10 tion par gaz effectué ensuite. En d'autres termes, on soumet la pièce en acier fortement allié à une première température dans un environnement sous vide et on maintient cette température constante pendant une première phase de maintien. Ensuite, la pièce est chauffée à une seconde température 15 supérieure à la première température. La seconde température est maintenue constante pendant une seconde phase de maintien. A la suite de la seconde phase de maintien, on soumet la pièce à une trempe dans un milieu gazeux ou qui s'évapore. Pendant la première phase de maintien, dans la première étape de traitement, on soumet la surface de 20 la pièce et notamment les contours en retrait, à un gaz de procédé et/ou un mélange de gaz de procédé dégageant de l'hydrogène pour nettoyer et activer la surface de la pièce. Pendant la première phase de maintien, on balaie la surface de la pièce par une seconde étape de traitement avec un gaz de procédé et/ou un mélange de gaz de procédé dé- 25 gageant de l'azote pour former une mince couche contenant des nitrures ; cette couche contenant des nitrures est optimisée par un procédé de nitruration par gaz, effectué ensuite. Le traitement thermique selon l'invention se décompose dans le procédé de traitement d'une pièce en acier fortement allié, à la 30 suite du traitement initial, notamment la fabrication de la pièce à partir d'une ébauche. A la suite du traitement thermique selon l'invention, notamment la trempe, on fait revenir la pièce par exemple dans un four de revenu sous vide, sans oxygène. En d'autres termes, le revenu de la pièce est un second traitement thermique. Avant le traitement final de 35 la pièce pour obtenir la pièce terminée et régler ainsi les dimensions dé- 3058423 4 finitives par meulage, durcissement avec un tour ou des procédés analogues, on effectue une troisième étape de traitement thermique consistant à nitrurer au gaz, de préférence à une température comprise entre 480°-590°C pour obtenir les propriétés notamment de la surface de la 5 pièce par diffusion d'azote dans la pièce. Un environnement sous vide est un vide technique correspondant à une pression au plus de 50 mbar. Le four à vide est pour cela fermé de manière étanche à l'air et avec une pompe à vide reliée à l'intérieur du four à vide, on évacue le four à vide pour arriver à la pres- 10 sion voulue. Le procédé de trempe selon l'invention casse la couche d'oxydes ou couche de passivation développée naturellement et on nettoie la surface de l'acier fortement allié. La conduite du procédé dans une atmosphère sous vide ou sans oxygène évite ou ralentit le développement d'une nouvelle couche de passivation et/ou la repassivation de 15 l'acier fortement allié. On évite ainsi l'appauvrissement près du bord, des éléments d'alliage qui augmentent la dureté. L'expression « phase de maintien » consiste à maintenir constante la température à laquelle se trouve la pièce à l'intérieur du four à vide pour exécuter la première et la seconde étape de traitement. 20 Pendant la première phase de maintien, on fait passer sur l'acier forte- ment allié, dans une première étape de traitement, un gaz de procédé ou un mélange de gaz de procédé dégageant de l'hydrogène. De préférence, le gaz est introduit à débit constant. Mais on peut également envisager une alimentation pulsée, variable, ou commandée en pression 25 pour le débit de gaz. Le balayage de la pièce pendant la première étape de traitement correspond à une étape de nettoyage et d'activation pour favoriser la diffusion de l'azote dans la surface de l'acier au cours de la seconde étape de traitement grâce à la surface ainsi nettoyée et activée 30 et à la température élevée dans le four à vide. La première température pour la première étape de traitement est de préférence comprise entre 800 et 1090°C ; elle se situe de préférence à 900°C pour avoir une interaction optimale entre le gaz de procédé et/ou le mélange de gaz de procédé dégageant de l'hydrogène et la surface de la pièce. Dans la 35 première étape de traitement, on casse la couche d'oxydes et on évite 3058423 5 par le vide que la surface de la pièce ne se repassive sous vide. La surface de la pièce devient ainsi fortement réactive pour la diffusion d'azote au cours de la seconde étape de traitement. A la fin de la première étape de traitement, commence la seconde étape de traitement à la première 5 température constante du four. On balaie l'acier fortement allié avec un gaz de procédé et/ou un mélange de gaz de procédé dégageant de l'azote pour développer une couche contenant des nitrures. De façon avantageuse, on utilise de l'azote pur (N2) ou de l'ammoniac (NH3) ou encore un mélange azote/ammoniac. Les alliages alliés ou fortement alliés con- 10 viennent avantageusement à la nitruration car les éléments d'alliage de ces aciers se combinent à l'azote à l'état atomique pour former des nitrures. En revanche, les aciers non alliés développent par nitruration des couches de nitrures, cassantes qui ont tendance à éclater. Pour la nitruration, on utilise de préférence notamment des aciers ayant des 15 teneurs massiques en carbone comprises entre 0,3 et 0,6 `)/0 et des élé- ments d'alliage tels que chrome ou vanadium qui, aux températures élevées, forment des couches de nitrures. La pré-nitruration du procédé de traitement selon l'invention a l'avantage vis-à-vis des procédés de traitement usuels de 20 pièces en acier fortement allié, que grâce à l'environnement sous vide et au nettoyage et à l'activation avec un gaz de procédé et/ou un mélange de gaz de procédé dégageant de l'hydrogène, on obtient par nitruration au cours de la seconde étape de traitement du procédé, une couche de nitrures, homogène et dense à la surface. Cette couche de nitrures peut 25 être considérée comme une couche de germes ou une couche de passi- vation car l'étape de nitruration proprement dite ne se fera qu'après le recuit et avant le traitement thermique de la pièce. En outre, la pré-nitruration dans le procédé de traite- ment, optimise également la nitruration par gaz dans l'étape de procédé 30 suivante. Grâce à la couche homogène de germes du procédé de traite- ment, il se développe par nitruration au gaz dans le four à chambre, une couche de liaison plus compacte dont la teneur en pores est réduite. L'effet de la nitruration qui se décrit par le coefficient de nitruration est plus élevé grâce à la pré-nitruration par le procédé de trempe. 35 Le coefficient de nitruration correspond aux pressions partielles du gaz 3058423 6 de procédé et/ou du mélange de gaz de procédé dégageant de l'azote et de la pression partielle de l'hydrogène. Plus le coefficient de nitruration est élevé et plus fort sera le potentiel de développement de nitrures. Si la composante d'azote dans la matière dépasse la solubilité maximale de 5 l'azote dans la matière de base, on obtient des nitrures. Directement à la surface, on a des dépôts de nitrures qui forment la couche de liaison. Partant de la surface, un gradient décroissant d'azote se développe et cette zone est appelée couche de diffusion. Dans cette zone, on a de petits dépôts de nitrures sous forme d'azote dissout dans le réseau du mé- 10 tal. Dans les aciers, on rencontre ainsi du fer sous forme de nitrures de fer et dans les aciers fortement alliés, le chrome et le vanadium développent des nitrures. Par la pré-nitruration au cours du procédé de traitement, on forme une couche de germes de nitruration de sorte que le coefficient de nitruration nécessaire au procédé de nitruration sera plus 15 faible, ce qui facilite et simplifie la conduite du procédé. De même, on pourra réduire la durée de l'opération de nitruration par gaz et/ou l'effectuer à des températures plus basses, ce qui rend le procédé plus économique. En outre, après le procédé de traitement, la couche de ni- 20 truration rend le recuit moins sensible car cette nouvelle élévation de température, inférieure à la température de conversion, réduit les contraintes et selon la composition de l'acier, on dégage d'autres carbures spéciaux et on règle une dureté inférieure sans coopération des éléments d'alliage à la surface de la matière de base avec l'atmosphère du 25 four. De manière préférentielle, pendant la seconde étape de traitement du procédé, on passe de la première phase de maintien à la seconde phase de maintien. Dans la seconde phase de maintien, on chauffe l'alliage fortement allié à la seconde température. La seconde 30 température est à considérer également comme température d'austénitisation. A la température ambiante, l'acier fortement allié se présente essentiellement sous la forme de ferrite et carbure se transformant en austénite aux températures élevées et les carbures se dissolvent partiellement. Le but est ainsi d'utiliser la solubilité élevée du 35 carbone aux températures élevées dans l'austénite. 3058423 7 A la température d'austénitisation, le carbone diffuse dans le réseau de l'austénite. Si ensuite on soumet l'acier fortement allié à une trempe, le carbone ne peut plus sortir par diffusion du réseau qu'en le déformant sous forme tétragonale à cause de l'augmentation de 5 volume en formant essentiellement de la martensite. Plus la vitesse de trempe est élevée et plus élevée sera la teneur en martensite. Pour lancer la phase de trempe, on termine la seconde étape de traitement avec la seconde phase de maintien. De façon préférentielle, la durée de la seconde étape de 10 traitement, la seconde température de l'acier fortement allié dans la se- conde étape de traitement et/ou la pression partielle d'azote à la surface de l'acier fortement allié pendant la seconde étape de traitement, sont des paramètres choisis pour développer la couche contenant des nitrures sur une épaisseur inférieure à 2 gm, de préférence une épaisseur 15 comprise entre 0,001 gm jusqu'à 1 gm. De manière préférentielle, la couche nitrurée se présente sous la forme de nitrures développés en surface ou déposés à l'état cristallin. Le chrome peut former des nitrures en surface alors que le fer développe de préférence des nitrures cristallins. 20 De manière préférentielle, le gaz de procédé et/ou le mé- lange de gaz de procédé dégageant de l'hydrogène passent à la surface à une première pression de traitement et le gaz de procédé et/ou le mélange de gaz de procédé dégageant de l'azote balaient la surface à une seconde pression de traitement ; la pression de traitement se situe dans 25 chaque cas dans une plage comprise entre 10 mbar et 3000 mbar. La zone de pression choisie dépend fortement des propriétés de la pièce. De manière préférentielle, la première pression de traitement est inférieure à la seconde pression de traitement. Plus la seconde pression de traitement est élevée et plus important sera le potentiel de 30 développement de nitrures dans la zone proche du bord de la pièce et ainsi la diffusion de l'azote sera d'autant plus profonde dans la pièce. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de procédés de traitement thermique 3058423 8 d'une pièce en un acier fortement allié, représentés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 montre l'évolution de la température T et de la pression p en fonction du temps selon un exemple de réalisation du procédé 5 de l'invention, et les figures 2 à 5 montrent les étapes de traitement thermique d'une pièce en acier fortement allié selon le procédé de l'invention. Description de modes de réalisation La figure 1 montre à titre d'exemple la conduite du pro- 10 cédé selon un mode de réalisation de l'invention. L'axe des ordonnées 4, à gauche, est l'axe des températures ; l'axe des ordonnées 5, à droite, représente l'axe de la pression partielle ; en abscisses 6, on a l'axe du temps. La courbe en trait continu du haut représente l'évolution de la température T en fonction du temps. La courbe continue du bas corres- 15 pond à l'évolution de la pression partielle p en fonction du temps. Selon l'axe du temps, on a repéré les segments A 1, H 1, A2, H2 F, Bl, B2 dans lesquels on a des activités différentes. Dans une première phase de chauffage A1, on chauffe la pièce S tout d'abord pour passer de la température ambiante à une 20 température T1 égale à 900°C. La vitesse de chauffage est pratiquement constante. Le four à vide dans lequel on applique le procédé est en vide technique avec une dépression inférieure à 50 mbar (figure 2). On peut également envisager de générer le vide seulement lorsqu'on aura atteint une température déterminée. 25 Dans la première phase de maintien H1 qui fait suite à la première phase de chauffage A1, on maintient la première température T 1 à un niveau constant de l'ordre de 900°C. Pendant la phase de chauffage A1, on n'introduit aucun gaz de procédé ou encore un mélange de gaz de procédé G1, G2 contenant de l'hydrogène ou de l'azote. 30 Pendant la première phase de maintien H1, on commence la première étape de traitement B1 au cours de laquelle on balaie la pièce S avec un gaz de procédé contenant de l'hydrogène ou un mélange de gaz de procédé G1 à une première pression de traitement Pl. La première pression de traitement Pl correspond à la pression partielle de l'hydrogène agis- 35 sant sur la surface 1 de la pièce S. La pression partielle correspond à la 3058423 9 pression qu'exercerait chaque composant séparé du gaz, dans le cas présent l'hydrogène, s'il était seul présent dans le volume. Le passage de gaz de procédé contenant de l'hydrogène ou de mélange de gaz de procédé G1 se fait de manière constante (figure 3). Pendant la première 5 étape de traitement, on casse la couche d'oxygène 7 ou la couche de passivation formée naturellement sur l'acier fortement allié et on nettoie la surface 1 de la pièce S et on l'active pour la diffusion d'azote dans la seconde étape de traitement B2 qui fait suite. La première étape de traitement B1 est suivie de la se- 10 conde étape de traitement B2 au cours de laquelle on balaie la pièce S avec un gaz de procédé contenant de l'azote ou un mélange de gaz de procédé G2 à une seconde pression de traitement P2. La seconde pression de traitement P2 correspond à la pression partielle de l'azote agissant sur la surface 1 de la pièce S. Le passage du gaz de procédé 15 contenant de l'azote ou d'un mélange de gaz de procédé G2 se fait de manière constante (figure 4). La seconde pression de traitement P2 est supérieure à la première pression de traitement Pl ; la pression de traitement respective Pl, P2 est comprise entre 10 mbar et 3000 mbar. Au cours de la seconde étape de traitement B2, on a une 20 première phase de maintien H 1, une seconde phase de chauffage A2 suivie d'une seconde phase de maintien H2. La vitesse de chauffage/vitesse d'élévation de température est constante. La pièce S est tout d'abord chauffée pour passer de la première température T 1 à la seconde température T2 que l'on maintient constante. La seconde tem- 25 pérature T2 correspond à la température d'austénitisation de la pièce S. Pendant le maintien à la température d'austénitisation, il se produit un changement de phase dans la zone marginale aboutissant à un réseau austénitique. Au cours de la seconde étape de traitement B2 à partir de la première phase de maintien H1, le gaz de procédé contenant de 30 l'azote ou le mélange de gaz de procédé G2 continue de balayer la pièce S dans la seconde phase de maintien H2 à une seconde pression de traitement P2 et à débit constant. La seconde phase de maintien H2 correspond à une phase de nitruration. Du fait de la seconde température T2, l'azote atomique diffuse du gaz de procédé contenant de l'azote 35 ou du mélange de gaz de procédé G2 dans la surface 1 de la pièce S et 3058423 10 se combine aux éléments formant des nitrures tels que par exemple le chrome, le vanadium et le fer. La durée de la seconde étape de traitement B2, la seconde température T2 de la pièce S pendant la seconde étape de traitement B2 et la seconde pression de traitement P2 à la sur- 5 face 1 de la pièce S pendant la seconde phase de traitement B2 influen- cent l'épaisseur de la couche de nitrures 2 qui est comprise entre 0,001 gm et 1 gm (figure 5). La seconde phase de maintien H2 et la seconde étape de traitement B2 sont suivies par une phase de trempe F pour fixer un ré- 10 seau essentiellement de martensite. Le four à vide 3 et la pièce S sont ainsi ramenés par trempe à la température ambiante. Les figures 2 à 5 décrivent les étapes du procédé de trai- tement thermique selon l'invention, d'un acier fortement allié d'une pièce S représentée en vue en coupe, selon les étapes de la figure 1 et la 15 conduite du procédé telle que décrite ci-dessus. 3058423 11 NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX S Pièce 1 Surface de la pièce 5 3 Four à vide 4 Axe des ordonnées représentant la température 5 Axe des ordonnées représentant la pression partielle 6 Abscisse représentant le temps 10 A 1, H 1, A2, H2, F, Bl, B2 Segments de temps avec différentes activités REVENDICATIONS1°) Procédé de traitement thermique d'une pièce (S) en un acier fortement allié, selon lequel on chauffe la pièce (S) à une première température (T1) dans un environnement sous vide, on maintient constante la première température (T1) au cours d'une première phase de maintien (H1) et ensuite, on chauffe la pièce (S) à une seconde température (T2) supérieure à la première température (T1), on maintient constante la seconde température (T2) pendant une seconde phase de maintien (H2) et après la seconde phase de maintien (H2), on soumet la pièce (S) à une trempe, procédé de traitement thermique caractérisé en ce que pendant la première phase de maintien (H1), on balaie la surface (1) de la pièce (S) dans une première étape de traitement (B1), avec un gaz de procédé et/ou un mélange de gaz de procédé (G1) dégageant de l'hydrogène pour nettoyer et activer la surface (1), * pendant la première phase de maintien (H1), dans une étape de traitement (B2), on balaie la surface (1) avec un gaz de procédé et/ou un mélange de gaz de procédé (G2) dégageant de l'azote pour former une couche (2) contenant des nitrures, et * la couche (2) contenant des nitrures optimisant le procédé de ni- truration par gaz effectué ensuite. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la seconde étape de traitement (B2), on passe de la première phase de maintien (H1) à la seconde phase de maintien (H2). 3°) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz de procédé et/ou le mélange de gaz de procédé (G1) dégageant de l'hydrogène est appliqué à la surface (1) avec une première pression de traitement (P1) et le gaz de procédé et/ou le mélange de gaz de procédé (G2) dégageant de l'azote est appliqué à la surface (1) avec une seconde pression de traitement (P2), 3058423 13 * la pression de traitement respective (P1, P2) étant comprise dans une plage de pression entre 10 mbar et 3000 mbar. 4°) Procédé selon l'une des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que la durée de la seconde étape de traitement (B2), la température (T2) de la pièce (S) dans la seconde étape de traitement (B2) et/ou la seconde pression de traitement (P2) appliquée à la surface (1) de la pièce (S) au cours de la seconde étape de traitement (B2) sont choisies pour déve- 10 lopper une couche (2) contenant des nitrures ayant une épaisseur infé- rieure à 2 gni, de préférence une épaisseur comprise entre 0,001 gm1 gni. 5°) Procédé selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que la seconde étape de traitement (B2) se termine par la seconde phase de maintien (H2). 6°) Procédé selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que la première température (T1) de la première phase de maintien (H1) est comprise entre 800 et 1090°C et elle est de préférence égale à 900°C. 7°) Procédé selon l'une des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce que la couche de nitrures (2) comporte des nitrures en forme de surfaces ou de nitrures à l'état cristallin. 8°) Procédé selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que la première pression de traitement (P1) est inférieure à la seconde pression de traitement (P2).