Brevet FR3082529A1 — publié le 20191220

DESCRIPTION La présente invention concerne généralement le domaine du durcissement de pièces en acier et plus particulièrement celui de la nitruration. Etat de la technique Les traitements de nitruration sont des traitements thermochimiques permettant l'introduction par diffusion d'azote au niveau de la surface des pièces pour réaliser un renforcement mécanique superficiel, en améliorant typiquement la dureté et la tenue en fatigue. Les traitements de nitruration sont conventionnellement réalisés sur des aciers alliés préalablement traités par austénitisation, trempe, et revenu à des températures supérieures à 600°C. Cela permet de réaliser ensuite une nitruration à une température inférieure (conventionnellement inférieure d'au moins 30°C) sans affecter l'état structural sous-jacent. Concrètement, dans les traitements de nitruration usuels, l'acier est nitruré à une température de l'ordre de 500°C à 550°C dans une atmosphère contenant de l'ammoniac, lequel cède de l'azote à la surface de l'acier. L'azote ainsi adsorbé provoque la formation d'une couche superficielle constituée de nitrures de fer, appelée couche de combinaison, à partir de laquelle les atomes d'azote diffusent en direction du coeur de la pièce pour former la couche de diffusion. La dureté issue de l'introduction d'azote en surface vient s'ajouter au niveau de dureté de base de l'acier. Il en ressort un niveau de dureté plus ou moins élevé, en grande partie dépendant de la composition chimique du substrat. Dans le cas de pièces nécessitant des profondeurs de traitement élevées (typiquement de 0,6 à 1 mm), les traitements doivent être réalisés sur des durées allant jusqu'à 120 voire 200 heures entre 520 et 550 °C (on parlera de nitruration profonde) Dans la configuration actuelle des gammes de fabrication (nitruration sur état métallurgique trempé - revenu) ces traitements ne peuvent être raccourcis par une augmentation de la température. Cela conduirait à un adoucissement trop important à coeur par effet de revenu, ainsi qu'à des duretés superficielles insuffisantes. Le temps de traitement pouvant ainsi dépasser 5 jours ouvrés est une problématique importante pour la fabrication des pièces concernées. Il serait donc souhaitable de disposer d'un procédé de nitruration avec une 5 cinétique améliorée, permettant donc une nitruration profonde pour une durée de traitement réduite. Les durées de traitement nécessaires aux nitrurations profondes ont également pour conséquence, d'obtenir une dureté superficielle qui dépasse difficilement les 750 HV. Des nitrurations à basse température (typiquement 480 °C) permettraient 10 de dépasser ce niveau de dureté mais engendreraient des temps de traitements rédhibitoires. Il serait donc également souhaitable de disposer d'un procédé de nitruration profonde pourvue d'une dureté superficielle plus élevée, typiquement jusqu'à 900 HV, et ce sans augmenter significativement les temps de traitement. 15 Description générale de l'invention Avec ces objectifs en tête, la présente invention propose un procédé de durcissement par nitruration, dans lequel une pièce en acier nitrurable, ou une partie de celle-ci, est soumise à un durcissement initial par austénitisation et 20 trempe, suivi d'un revenu intermédiaire, puis d'un traitement de nitruration. Selon l'invention, le revenu intermédiaire est un revenu dit « basse température », qui est réalisé à une température inférieure à celle du traitement de nitruration, et précisément inférieure à 350°C. Le traitement de nitruration est quant à lui réalisé à une température de nitruration supérieure à la température de revenu 25 intermédiaire et inférieure à la température de début d'austénitisation (Act). Comparativement aux procédés connus, le procédé selon l'invention s'appuie sur un traitement de nitruration structurale appliqué sur un substrat dont le revenu a été réalisé à basse température, en particulier entre 150 et 350°C. Le procédé selon l'invention prend donc une position opposée aux méthodes conventionnelles, en réalisant une nitruration à des températures auxquelles la structure va évoluer. Dans le principe de l'invention, la pièce, après le durcissement initial (austénitisation trempe), ne subit aucun revenu haute température, et n'est donc pas portée à des températures supérieures à 590 - 5 600°C. D'une façon générale, les trois phases de durcissement initial, revenu basse température et traitement de nitruration sont enchainées sans aucun autre traitement qu'elle qu'en soit sa température. Ainsi, le revenu basse température est ici considéré comme une relaxation, et altère moins la dureté à coeur de la pièce revenue. En début de nitruration, la 10 dureté sera donc supérieure à celle de l'état revenu classique. L'approche proposée par le présent procédé va permettre, selon les variantes de réalisations, de réduire la durée de traitement ou d'augmenter la dureté. Des profondeurs de traitement supérieures à 0,5 mm sont possibles, en particulier de 0,6 à 1,2 mm. De manière générale, l'homme du métier pourra adapter le couple temps - température en 15 fonction de la dureté et de la profondeur de traitement visées. Selon un premier mode de réalisation dit « nitruration haute température », la température de nitruration se situe entre 550 et 590°C, préférablement entre 570 et 590°C, notamment 580°C. 11 a été observé, de manière surprenante, que le procédé permet de réduire jusqu'à 50% la durée de l'étape de nitruration sur des 20 pièces conventionnelles en acier nitrurable, pour l'obtention d'une dureté comparable sur une même profondeur. Le procédé selon l'invention permet donc un gain de temps substantiel. En outre, des calculs thermodynamiques réalisés à l'aide du logiciel Thermocalc permettent d'écarter l'éventualité d'une austénitisation partielle ou locale en surface compte tenu de la température et de 25 la teneur maximale superficielle en azote. Selon un deuxième mode de réalisation dit nitruration « basse température », la température de nitruration est entre 500 et 550°C, en particulier entre 500 et 520°C. Le revenu de relaxation basse température permet de conserver une dureté à coeur élevée, et la nitruration basse température conduite sur des durées de l'ordre de 120 à 200 heures va permettre d'atteindre des duretés de l'ordre de 800 à 950 11V en surface. Ainsi, le procédé permet, avec des températures et durées de nitruration conventionnelles, d'obtenir des duretés supérieures à celles obtenues avec les traitements classiques. Le durcissement initial, première phase du procédé, peut être conduit de manière classique. Les pièces à traiter, généralement sous forme de barre laminée, 5 d'ébauche forgée ou estampée, de pièces pré-usinées, sont chauffées à une température d'austénitisation qui est classiquement située dans la gamme de températures comprise entre 850 et 950°C. Les pièces sont ensuite trempées et revenues. La trempe s'effectue à partir d'une température dans la gamme allant de 920 à 940°C, par exemple pour un acier de type 32CrMoV13. Le fluide et la 10 méthode de trempe sont ajustés, de façon classique, en fonction de la section des produits. La deuxième phase du procédé est le revenu intermédiaire basse température, qui forme un traitement de relaxation. La température du revenu intermédiaire se situe entre 150 et 350°C, de préférence entre 180 et 250 °C. Elle est ajustée en 15 fonction du niveau de détente souhaitable pour assurer les opérations de façonnage à suivre. La durée du revenu intermédiaire est adaptée selon l'épaisseur de la pièce ; on compte préférablement 1h par 20 mm de section (épaisseur). Dans le présent procédé, le revenu est toujours réalisé à une température inférieure à la nitruration. Un tel revenu léger est adapté aux usinages, et élimine donc les risques 20 de fragilité/déformation en cours d'usinage. Le traitement de nitruration, troisième phase du procédé selon l'invention, est ensuite effectué sur pièce finie ou quasiment finie d'usinage (la pièce est typiquement usinée après le revenu intermédiaire et avant le traitement de nitruration). Les paramètres temps et température sont à fixer en fonction du 25 compromis recherché en dureté superficielle, profondeur et microstructure pour la couche, comme exposé ci-avant Il est possible de mettre en oeuvre une nitruration gazeuse à l'ammoniac, ou une nitruration assistée par plasma à l'azote. Le procédé utilisé a peu d'influence sur le gradient de dureté de la couche nitrurée, qui dépend essentiellement de la composition chimique de l'acier et de son état 30 structural. A l'issue de la nitruration, la pièce n'est pas trempée, mais on réalise un refroidissement contrôlé sous gaz neutre pour ne pas provoquer de chocs thermiques dommageables. Selon les variantes, on peut réaliser une trempe par induction sur une zone limitée aux profondeurs désirées pour la nitruration, ce qui permet des niveaux de dureté 5 différents. Le procédé comprend alors les phases de durcissement initial (austénitisation trempe), suivie d'un revenu réalisé à température supérieure à 600°C, puis d'une austénitisation trempe par induction, suivi du revenu intermédiaire, et enfin du traitement de nitruration. Le procédé selon l'invention est adapté pour le traitement des pièces en acier 10 nitrurable. Il s'agit typiquement d'aciers faiblement alliés contenant des éléments permettant la formation de nitrure, comme le chrome, le molybdène, le vanadium et l'aluminium. La teneur en Carbone est préférablement de 0.15 à 0.9 %m. En particulier, la pièce est en acier nitrurable comprenant de 0,15 à 0,9 %m de carbone et un ou plusieurs éléments d'alliage choisis parmi la liste comprenant : 15 chrome, nickel, molybdène, vanadium, aluminium, silicium et manganèse. Par exemple, les éléments d'alliage sont présents dans les proportions suivantes : Chrome 1 à 4%m ; Nickel 0,5 à 4%m ; Molybdène à 02 à 4%m ; Vanadium 0,10 à 2 %m ; Aluminium 0,5 à 3%m ; Silicium 0,4 à 1,5%m ; et/ou Manganèse 1 à 2%m. Le présent procédé a été particulièrement développé pour les nuances d'acier 20 CrMoV (aussi noté CDV), en particulier 32CrMoV13. L'invention trouve particulièrement application pour le traitement de pièces en aéronautique et automobile, du type dentures et pignonnerie, cannelures, pistes bagues et éléments roulant de roulement, entre autres, pour leur permettre de résister aux sollicitations mécaniques auxquelles elles sont soumises, qui ont la 25 particularité d'être concentrées essentiellement en surface (fatigue flexion, fatigue de contact, fretting, usure, ...). Description détaillée à l'aide des figures D'autres particularités et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée d'au moins un mode de réalisation avantageux présenté ci-dessous, à titre d'illustration, en se référant aux dessins annexés. Ceux-ci 5 montrent : Fig.1 : un graphe temps-température représentant la gamme de traitement thermique d'un procédé de nitruration conventionnel ; et Fig.2 : un graphe temps-température représentant la gamme de traitement thermique selon un mode de réalisation du présent procédé ; 10 Fig.3 : un graphe représentant le profil de dureté (dureté -profondeur) pour trois échantillons A, B et C ; et Fig.4 : un graphe représentant le profil de contraintes résiduelles (contraintes profondeur) pour les échantillons A et B. 15 A. Procédé de nitruration conventionnel La Figure 1 représente un diagramme temps-température de principe qui correspond à la gamme de traitement thermique d'un procédé de nitruration conventionnel en trois phases notées (1), (2) et (3). La pièce à traiter subit d'abord un traitement préalable, appelé ici durcissement initial (1), par austénitisation et 20 trempe. La pièce est donc portée à une température d'austénitisation Ti pendant une durée prédéterminée, puis subit une trempe (refroidissement rapide contrôlé) pour induire une microstructure de type martensitique. S'ensuit une phase de revenu (2), dans laquelle la pièce est chauffée à une température de revenu prédéterminée Tz, typiquement de l'ordre de 550 à 640°C. 25 Cette phase permet un adoucissement de la pièce (abaissement de dureté) et un ajustement des caractéristiques de traction et de résilience, caractéristiques contrôlées en fonction des applications visées et compatibles avec les usinages. Cette approche conventionnelle permet de réaliser ensuite une nitruration gazeuse ou ionique, phase (3), entre 450 et 550°C sans affecter l'état structural sous-jacent. On notera que dans les procédés conventionnels la température de revenu T2 est supérieure à la température de nitruration T3, et ceci d'au moins 50°C. La dureté issue de l'introduction d'azote en surface vient s'ajouter au niveau de dureté de base de l'acier. Il en ressort un niveau de dureté plus ou moins élevé, en 5 grande partie dépendant de la composition chimique du substrat. Dans le cas de pièces nécessitant des profondeurs de traitement élevées (typiquement de 0,6 à 1 mm), les traitements conventionnels doivent être réalisés sur des durées allant jusqu'à 120 voire 200 heures entre 520 et 550°C. C'est ce que représente la longue phase III sur la Fig.1. 10 Sur la Fig.1 on a également représenté l'évolution de la dureté à coeur (courbe Dc) et en surface (courbe Ds), ainsi que l'évolution de la profondeur de traitement (courbe 1)4. Comme on le voit, la dureté à coeur chute pendant la phase de revenu mais reste constante pendant la nitruration. La dureté de surface, due à la nitruration vient s'additionner à la dureté à coeur, et l'épaisseur de la couche dure 15 nitrurée augmente avec le temps. Ainsi, contrairement au procédé classique, on réalise ici une nitruration structurale, puisque la microstructure va évoluer pendant la phase III, et va donc modifier la dureté à coeur. 20 B. Le présent procédé de nitruration On décrira ci-dessous deux variantes du présent procédé, qui reposent toutes deux sur un procédé en trois phases dont la phase II de revenu consiste en un revenu basse température, et la phase III de nitruration est conduite à une température supérieure à la phase II. 25 B.1 Nitruration haute température. La Fig.2 représente schématiquement la gamme de traitement du présent procédé, dit nitruration structurale haute température (NSHT). La première phase, notée I, est une phase de traitement préalable, appelée durcissement initial, similaire à celle (phase 1) des traitements conventionnels. Il s'agit de conférer une dureté initiale à la pièce par chauffage à une température Ti dans la zone d'austénitisation, suivi d'une trempe. On remarquera que la pièce est ensuite soumise à un revenu intermédiaire (phase Il) dit basse température. La température de revenu intermédiaire Tu est ici 5 inférieure à la température de nitruration Tui. Typiquement la température de revenu intermédiaire Tu se situe entre 150 et 350°C. S'ensuit un traitement de nitruration, phase III, dit haute température. On remarquera que la température de nitruration Tui est très supérieure à la température de revenu intermédiaire Tu. Dans la nitruration haute température, la 10 température de traitement de traitement Tui est comprise entre 550 et 590°C, plus particulièrement entre 570 et 590°C. Le principe de la solution technique consiste donc ici à appliquer un traitement de nitruration à une température supérieure aux températures de nitruration conventionnelles, sur un substrat dont le revenu a été réalisé à plus basse 15 température (entre 150 et 350°C). Une telle modification de gamme induit les effets suivants : Le matériau à l'état revenu à basse température présente, en début de nitruration, une dureté plus élevée que l'état prétraité classique. - Cette dureté plus élevée à coeur permet une nitruration à plus haute 20 température tout en conservant une dureté superficielle et à coeur équivalente à celle des procédés conventionnels en fin de traitement (additivité des duretés). - La température de nitruration élevée permet l'obtention de la profondeur de nitruration en un temps plus court qu'à l'accoutumée, permettant jusqu'à 50 % de gain de temps pour une profondeur de 0,7 mm. 25 - Le maintien prolongé à la température de nitruration permet l'ajustement final des propriétés à coeur. Une diminution de la quantité de cheveux d'anges en surface due à une moindre teneur en carbures de revenu du substrat Exemple 1 : Deux mêmes éprouvettes, référencées A et B, ont été respectivement traitées selon le procédé de nitruration conventionnel, et selon un procédé de nitruration conforme au procédé présenté ci-avant de nitruration haute température. 5 Les éprouvettes A et B ont d'abord subi un durcissement initial en phase austénitique à 920°C pendant 1 heure, suivi d'une trempe à l'huile. L'éprouvette A a ensuite été soumise à un revenu à 620°C pendant environ 2 heures, suivi d'une nitruration à 550°C pendant 120 h, soit 5 jours. Pour l'éprouvette B on a, conformément au présent procédé, réalisé un revenu à 10 180°C pendant environ 2 h (dureté à l'issue de la phase II : 550 HV), suivi d'un traitement de nitruration à 580°C pendant 60 h. Les traitements de nitruration ont été réalisés dans un four horizontal de nitruration gazeuse avec convection forcée. Le contrôle de l'atmosphère nitrurante (ammoniac + ammoniac dissocié) est assurée via la régulation du potentiel de 15 nitruration, appelé KN, grâce à la mesure provenant d'une sonde à di-hydrogène. Le refroidissement est assuré en fin de cycle par une convection d'azote circulant dans le four et refroidi sur un échangeur interne. Les duretés de surface et à coeur obtenues à l'issue de la nitruration pour les deux éprouvettes A et B, ainsi que la profondeur conventionnelle de nitruration (définie 20 comme la dureté à coeur augmentée de 100 Vickers) et la dureté à 0.75 mm sont reportées au Tableau 1. Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, les profils de dureté et de contraintes résiduelles sont semblables. Le procédé selon l'invention permet donc d'atteindre les mêmes duretés de surface et à coeur que le procédé conventionnel, pour une durée de nitruration réduite de moitié. 25 B.2 Nitruration basse température. Le déroulé de la variante basse température du procédé est le même que dans la variante haute température (section B.1, Fig.2), mais se distingue sur la gamme de 10 températures de la nitruration qui est réalisée à une température inférieure, mais toujours supérieure à la température de revenu. La gamme de traitement du procédé version basse température peut se représenter de la même manière qu'à la figure 2 avec : 5 - Phase I : phase de traitement préalable (durcissement initial) pour conférer une dureté initiale à la pièce par chauffage à une température Ti dans la zone d'austénitisation, suivi d'une trempe. - Phase II : revenu intermédiaire (phase II) dit « basse température ». La température de revenu intermédiaire TH se situe entre 150 et 350°C, et est 10 inférieure à la température de nitruration Tm. - Phase III : traitement de nitruration à une température T111 entre 500 et 550°C, plus particulièrement entre 500 et 520°C. Comparativement à la variante B.1, la nitruration est dite basse température, mais reste très supérieure à la température de revenu intermédiaire TH. 15 Le principe de la nitruration structurale basse température (NSBT) consiste à appliquer un traitement de nitruration à une température inférieure aux températures de nitruration profonde conventionnelles, sur un substrat dont le revenu a été réalisé à plus basse température entre 150 et 350°C. Une telle modification de gamme induit les effets suivants, à iso temps de nitruration par 20 rapport à la nitruration conventionnelle : - Le matériau à l'état revenu à basse température présente, en début de nitruration, une dureté plus élevée que l'état prétraité classique - Le traitement de nitruration, réalisé à plus basse température, induit un adoucissement inférieur à celui généré par le revenu conventionnel. La dureté à 25 coeur en fin de traitement est donc plus élevée. - La dureté superficielle à l'issue du traitement basse température est supérieure en raison d'un durcissement plus conséquent à basse température s'additionnant à un substrat plus dur (additivité des duretés) 11 - La profondeur efficace (en raisonnant en dureté absolue et non relative vis-à-vis du coeur) obtenue est supérieure voire infinie malgré un traitement à plus basse température en raison de la dureté à coeur plus élevée. 5 Echantillon Revenu Nitruration Dureté Dureté à coeur Profondeur Dureté à de conventionnelle 0,75 mm Surface de nitruration (HV coeur + 100) A 620°C 550°C 741 HV 370 HV 0,75 mm 470 UV (référence) 120 h B 180°C 580°C 736 HV 370 HV 0,78 mm 470 HV 550 HV 60 h C 180°C 520°C 910 HV 470 HV 0,62 mm 470 UV 550 HV 120 h Tableau 1 Exemple 2 : Une éprouvette C, identique aux éprouvettes A et B, a été traitée selon la variante 10 basse température du présent procédé. Après un durcissement initial en phase austénitique à 920°C pendant 1 heure, on a effectué un revenu à la température de 180°C pendant environ 1 heure. L'éprouvette C a ensuite été nitrurée à une température de 520°C pendant 120 h ; ceci dans le même four que l'éprouvette B. Les duretés de surface et à coeur obtenues à l'issue de la nitruration pour 15 l'éprouvette C, ainsi que la profondeur de nitruration sont reportées au Tableau 1. Un traitement de 120 heures à 520 °C sur l'éprouvette C à l'état trempé-détendu, a ainsi permis l'obtention d'une dureté superficielle supérieure de plus de 150 HV par rapport à la nitruration conventionnelle (référence A) et à l'obtention d'une 12 dureté supérieure à 470 HV dans tout le volume de la pièce (HV coeur + 100 HV = 470 HV sur la nitruration de référence A). Ainsi, malgré une profondeur conventionnelle (HV coeur+ 100) légèrement plus faible, la dureté est supérieure à la dureté coeur obtenue avec le procédé classique. 5 Le profil de dureté de l'échantillon C est illustré à la Fig.3. Les profils de contraintes, également mesurés, REVENDICATIONS1. Procédé de durcissement de pièces en acier nitrurable, dans lequel une pièce en acier nitrurable, ou une partie de celle-ci, est soumise à un durcissement initial par austénitisation et trempe, suivi d'un revenu intermédiaire, puis d'un traitement de nitruration, caractérisé en ce que : le revenu intermédiaire est un revenu dit basse température, réalisé à une température (TH) inférieure à 350°C; le traitement de nitruration est réalisé à une température de nitruration (Tin) supérieure à la température de revenu intermédiaire (TH) et inférieure à la température de début d'austénitisation. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le revenu intermédiaire est réalisé à une température entre 150 et 350°C, de préférence entre 180 et 250°C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la température de nitruration est comprise entre 570 et 590°C. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la température de nitruration est comprise entre 500 et 520°C. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la pièce, après ledit durcissement initial, est soumise à un revenu à une température supérieure à 600°C puis à une trempe par induction sur une zone limitée aux profondeurs désirées pour la nitruration, avant ledit revenu intermédiaire. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce est en acier nitrurable comprenant de 0,15 à 0,9 %m de carbone et un ou plusieurs éléments d'alliage choisis parmi la liste comprenant : chrome, nickel, molybdène, vanadium, aluminium, silicium et manganèse. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la pièce est en acier type CrMoV, en particulier 32CrMoV13. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel un ou plusieurs desdits éléments d'alliage sont présents dans les proportions suivantes : Chrome 1 à 4%m ; 14 Nickel 0,5 à 4%m ; Molybdène à 0,2 à 4%m ; Vanadium 0,10 à 2 %m ; Aluminium 0,5 à 3%m ; Silicium 0,4 à 1,5%m ; et/ou Manganèse 1 à 2%m. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce est usinée après le revenu intermédiaire et avant le traitement de 5 nitruration. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revenu intermédiaire est conduit pendant une durée correspondant à 1 heure par 20 mm de section.