Brevet FR3099488A1 — publié le 20210205

Description Titre de l'invention : HUILE DE TREMPE ADDITIVÉE ET PROCÉDÉ DE TRAITEMENT SUPERFICIEL DE PIÈCES EN ACIER L'UTILISANT pool j L'invention concerne de manière générale le domaine de la tribologie et l'amélioration des caractéristiques en frottement et usure des pièces en acier. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à une huile de trempe additivée et un procédé de traitement superficiel des pièces en acier en vue d'améliorer leurs caractéristiques en frottement et usure. [0002] De manière générale, le frottement entre les pièces mécaniques représente une part considérable des pertes d'énergie dans un système mécanique. Concernant les véhicules routiers, il est généralement admis que la réduction des pelles par frottement est, parmi les différentes voies de réduction de la consommation et des émissions polluantes, celle qui présente les meilleures opportunités en termes de rapport coût/ bénéfice. Ainsi, la réduction des frottements dans le moteur thermique des groupes motopropulseurs des véhicules fait l'objet de nombreuses recherches visant à améliorer leur rendement global et leur longévité. Des objectifs ambitieux de réduction des émissions de polluants et de dioxyde de carbone (CO2) sont fixés dans les normes dites « Euro7 », « CAFE 2020 » et « CAFE 2025 ». [0003] Les caractéristiques des surfaces en contact, comme la rugosité, ont une influence importante sur le coefficient de frottement. La lubrification permet de former un film protecteur qui réduit le contact entre deux surfaces et, consécutivement, le coefficient de frottement entre elles. [0004] Des additifs performants ont été développés ces dernières décennies et octroient aux huiles de lubrification des propriétés de réduction du frottement et de l'usure. Ces additifs agissent en formant sur les surfaces en contact, un film protecteur dit « tribofilm » qui favorise le glissement des pièces l'une sur l'autre et les protège contre l'usure. Ainsi, des amines, le dithiocarbamate de molybdène (MoDTC) et le disulfure de molybdène (MoS2) sont connus comme additifs antifriction dans les huiles de lubrification. Le dithiophosphate de zinc (ZnDTP) est lui un additif connu pour son effet and-usure. [0005] Des traitements thermochimiques de cémentation et de carbonitruration des pièces en acier sont couramment réalisés pour obtenir un durcissement superficiel par trempe nécessaire à la durabilité des pièces. Dans la cémentation, du carbone est diffusé superficiellement dans un acier doux ou demi-doux à faible teneur en carbone afin de le transformer en surface en un acier fortement carburé susceptible d'être trempé. La 2 trempe réalisée après cémentation permet d'obtenir une haute dureté de surface, combinée avec une bonne ténacité et une bonne ductilité à coeur. [0006] Dans l'état de la technique métallurgique, il est utilisé habituellement des polymères, des bains de sel, des gaz et des huiles comme fluide de trempe pour les pièces. L'eau pure est rarement utilisée car elle est trop drastique (risques de tapures) et donne un temps de caléfaction instable (mauvaise trempe). [0007] La carbonitruration est un traitement thermochimique voisin de la cémentation. Dans les deux cas, l'élément de diffusion principal est le carbone. Dans le cas de la carbonitruration, de l'azote est également diffusé principalement pour favoriser le durcissement par le carbone, par une amélioration du transfert et de la diffusion du carbone, une élévation de la trempabilité de la couche cémentée et un abaissement de la température de traitement. Dans certains cas, l'azote s'associe au fer pour former des nitrures de fer et apporter une dureté plus élevée à la pièce. [0008] Dans le domaine de la métallurgie, il est généralement admis par l'homme du métier que les traitements superficiels par cémentation ou carbonitruration suivis d'une trempe avec les fluides classiques susmentionnés n'ont aucun effet antifriction notable sur les pièces traitées. L'aptitude au frottement et la résistance à l'abrasion sont moindres pour les pièces carbonitrurées ou cémentées que celles obtenus pour des pièces nitrurées. [0009] Par le document US20190153556A1, il est connu un procédé de fabrication d'une pièce en acier comprenant une nitruration de la pièce à une température comprise entre 350°C et 650°C, suivie d'une trempe dans une huile de trempe réactive. L'huile de trempe réactive comprend au moins un des éléments chimiques parmi le soufre (S), le phosphore (P), le bore (B), le molybdène (Mo) et le tungstène (W). La trempe comprend ainsi l'application d'un lubrifiant solide comprenant au moins un des éléments chimiques susmentionnés sur la pièce en acier nitrurée. [0010] 11 est souhaitable de proposer une huile de trempe conçue pour l'amélioration des ca- ractéristiques en frottement et usure des pièces en acier cémentées ou carbonitrurées, ainsi qu'un procédé de traitement de pièces en acier. [0011] Selon un premier aspect, l'invention concerne une huile de trempe de pièce en acier cémentée ou carbonitrurée. Conformément à l'invention, l'huile comprend au moins un additif antifriction et au moins un additif anti-usure. [0012] Selon une caractéristique particulière, l'additif antifriction est de type amine, dithio- carbamate de molybdène (MoDTC) ou disulfure de molybdène (MoS2) et l'additif anti-usure est de type dithiophosphate de zinc (ZnDTP). [0013] Selon une autre caractéristique particulière, la proportion de ces additifs clans l'huile de trempe est comprise entre 0,1 et 0,5% en valeur massique. [0014] Selon encore une autre caractéristique particulière, l'huile de trempe comprend une 3 huile de hase de type minérale. [0015] Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de traitement superficiel de pièce en acier comprenant une phase de cémentation ou carbonitruration pour obtenir une pièce cémentée ou carbonitrurée à partir d'une pièce en acier à traiter, une phase de texturation de la pièce cémentée ou carbonitrurée pour obtenir une pièce avec texture et une phase de trempe de la pièce avec texture. Conformément à l'invention, la phase de trempe comprend une trempe de la pièce avec texture dans l'huile de trempe de l'invention décrite brièvement ci-dessus. [0016] Selon une caractéristique particulière, la phase de texturation comprend un rodage mécanique de la pièce cémentée ou carbonitrurée pour obtenir la pièce avec texture. [0017] Selon encore une autre caractéristique particulière, l'huile de trempe est agitée pendant la phase de trempe et est maintenue à une température comprise entre 50°C et 90°C. [0018] Selon encore une autre caractéristique particulière, l'huile de trempe est agitée pendant la phase de trempe et est maintenue à une température comprise entre 150°C et 175°C. [0019] L'invention concerne aussi une pièce en acier traitée obtenue par la mise en oeuvre du procédé décrit brièvement ci-dessus et un système mécanique comprenant au moins deux pièces en acier traitées et une huile de lubrification d'une partie d'interaction entre ces pièces en acier traitées qui comprend des additifs antifriction et anti-usure du même type que ceux incorporés dans l'huile de trempe. [0020] L'invention concerne aussi un véhicule comprenant au moins une pièce en acier traitée ou un système mécanique tels qu'indiqués ci-dessus. [0021] D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : [0022] [fig.1] La Fig.1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation du procédé selon l'invention. [0023] [fig.2] La Fig.2 montre des graphes de spectrométrie photoélectronique XPS re- présentant un film thermique et un tribofilm en surface de la pièce, obtenus à 50°C. [0024] [fig.3] La Fig.3 montre des graphes de spectrométrie photoélectronique XPS re- présentant un film thermique et un tribofilm en surface de la pièce, obtenus à 80°C. [0025] [fig.4] La Fig.4 montre des courbes du coefficient de frottement entre deux pièces en interaction traitées avec une huile de trempe classique et entre deux pièces en interaction traitées avec une huile de trempe additivée de la présente invention. [0026] En référence aux Figs.1 à 4, il est maintenant décrit ci-dessous des modes de réa- lisation particuliers du procédé de traitement superficiel de pièces en acier selon l'invention. [0027] Comme montré à la Fig.1, le procédé selon l'invention comprend essentiellement trois phases de traitement Pl à P3. [0028] La première phase de traitement Pl est une phase de cémentation ou de carboni- truration pour obtenir soit une pièce cémentée, soit une pièce carhonitruréc, selon l'application. Le processus d'obtention d'une pièce cémentée, ou carbonitrurée, par traitement thermochimique superficiel de diffusion de carbone ou de carbone et d'azote, selon l'application, est bien connu de l'homme du métier et ne sera pas détaillé ici. Des installations et fours de traitement thermochimique automatisés 1 sont typiquement utilisés pour traiter les pièces 2a par lot. [0029] La deuxième phase de traitement P2 est une phase de texturation des pièces cémentées 2h, ou carbonitrurée, obtenues à l'issue de la première phase de traitement Pl . Les pièces 2h sont soumises ici à un rodage mécanique afin d'obtenir en fin de phase P2 des pièces 2c ayant la texture voulue. Dans d'autres applications, le rodage mécanique des pièces 2h pourra être remplacé par un autre procédé de texturation connu de l'homme du métier. [0030] La troisième phase de traitement P3 est une phase de trempe des pièces 2c obtenues à l'issue de la deuxième phase de traitement P2. Les pièces 2c sont traitées dans une installation de trempe automatisée 3 comprenant un bac contenant une huile de trempe 30. En variante, pour des mises en oeuvre économiques du procédé de l'invention, l'installation de trempe pourra être simplement un bac de bain de trempe contenant l'huile 30. [0031] Conformément à l'invention, l'huile de tempe 30 est une huile de trempe additivée. L'huile de trempe additivée 30 de l'invention est composée d'une huile de base, conventionnellement utilisée pour les applications de trempe, à laquelle sont ajoutés des additifs antifriction et anti-usure. [0032] L'huile de base est typiquement une huile minérale spécialement conçue pour la trempe industrielle, fabriquée à partir d'une ou plusieurs d'huiles paraffiniques de haute qualité, peu volatiles et avec un point éclair élevé, entre 200°C et 260°C environ. La gamme des huiles actuellement disponibles permet de couvrir les différents types de trempe avec des caractéristiques de rendement acceptables. L'huile de base sera typiquement de type froide, semi-chaude, chaude ou super-chaude selon l'application. [0033] Au moins un additif antifriction de type amine, dithiocarbamate de molybdène (MoDTC) ou disulfure de molybdène (MoS2) et un additif anti-usure de type dithiophosphate de zinc (ZnDTP) sont ajoutés dans l'huile de base minérale pour obtenir l'huile de trempe additivée 30. [0034] Les essais réalisés par l'entité inventive ont mis en évidence qu'une proportion de ces additifs dans l'huile de trempe entre 0,1 et 0,5% en valeur massique permet d'obtenir des bons résultats pour la formation à la surface des pièces cémentées, ou carbo- nitrurées, d'un film thermique ayant des propriétés antifriction et anti-usure. [0035] Cc film thermique superficiel ayant des propriétés antifriction et anti-usure est présent dans les pièces 2d obtenues à l'issue de la phase de trempe P3. [0036] Le film thermique susmentionné est formé par chimisorption en surface de phosphates et de sulfates lors de la trempe des pièces dans l'huile de trempe additivée 30. [0037] Dans l'installation de traitement 3, pour obtenir des résultats satisfaisants en termes d'uniformité et de constance de la trempe et du film thermique superficiel des pièces, l'huile 30 devra de préférence circuler dans le bac pendant la phase de trempe P3. [0038] Il faut également veiller à ce que la température de l'huile 30, chauffée par la trempe des pièces, reste toujours inférieure à la température de point d'éclair de l'huile, température à laquelle celle-ci s'enflamme spontanément en présence d'oxygène. [0039] Une bonne agitation du bain de trempe devra donc être prévue afin de distribuer uni- formément la chaleur dans le bac de trempe et de maintenir la température de l'huile 30 à moins de 50°C de sa température de point d'éclair. Une telle agitation du bain a pour effet de réduire le risque d'inflammation et d'incendie en empêchant la formation d'une couche d'huile chaude en surface de celle-ci. [0040] Selon la viscosité de l'huile, pour une vitesse de refroidissement optimale des pièces comprise entre 96°C et 50°C par seconde, la vitesse de trempe de celles-ci varie entre 9 et 25 secondes. [0041] Des essais réalisés par l'entité inventive ont montrés qu'une vitesse de refroi- dissement maximale des pièces peut être obtenue lorsque la température de l'huile 30 est comprise entre 50°C et 90°C. La fourchette de 50 à 90°C est donc une fourchette de température optimale pour l'huile 30 pour de nombreuses applications. [0042] Avantageusement, un dispositif d'agitation de l'huile 30, ainsi qu'un dispositif de re- froidissement de celle-ci, non représentés, pourront donc être prévus dans l'installation de trempe. [0043] On notera que dans certaines applications avec des températures d'austénitisation très élevées, typiquement entre 1150°C et 1200°C environ, un bain de trempe à une température comprise entre 150°C et 175°C pourrait s'avérer mieux adapté pour des résultats optimaux. [0044] De manière générale, une trempe à plus haute température favorise une formation plus importante de film thermique. [0045] Aux Figs.2 et 3, les graphes Cl, C2 et C3, C4 sont des graphes de spectrométrie pho- toélectronique XPS (pour «X-Ray Photoelectron Spectrometry ») représentant le comptage C/S des électrons par seconde en fonction de l'énergie de liaison EL. [0046] Les graphes Cl et C3 représentent les films thermiques formés et chimisorbés en surface d'une pièce à 50°C et 80°C, respectivement. Les graphes C2 et C4 représentent 6 les tribofilms formés en surface de la pièce lors de la friction en présence d'une huile additivée à 50°C et à 80°C, respectivement. Ces graphes s'apparentent aux couches qui se formeraient lors de la friction d'une pièce qui serait recouverte de film thermique formé en surface lors du traitement de trempe avec de l'huile additivée, telle que définie précédemment. [0047] Des résultats de réduction du coefficient de frottement CF entre deux pièces en in- teraction en fonction du nombre de cycles CY sont montrés à la Fig.4. [0048] La courbe C5 montre un exemple d'évolution du coefficient de frottement CF dans un premier système mécanique intégrant des pièces en interaction traitées avec une huile de trempe classique. La courbe C6 montre, dans les mômes conditions que celles du premier système mécanique, l'évolution du coefficient de frottement CF dans un deuxième système mécanique intégrant des pièces en interaction traitées avec une huile de trempe additivée 30 selon la présente invention. [0049] Les essais réalisés par l'entité inventive ont mis en évidence que l'incorporation dans l'huile de trempe additivée de l'invention des mêmes additifs antifriction et anti-usurc que ceux incorporés dans l'huile de lubrification d'un système mécanique intégrant des pièces traitées selon l'invention conduit à des résultats optimaux en termes de réduction du frottement et de l'usure. [0050] Le procédé selon l'invention est applicable sur des pièces en acier en substitution à un revêtement de surface ou un traitement de phosphatation, en tant que solution moins onéreuse. [0051] Comparativement à un revêtement de surface, le procédé de l'invention procure différents avantages, parmi lesquels : [0052] - un faible coût de mise en oeuvre, [0053] - une réduction du temps de traitement global des pièces, avec le traitement thermo- chimique par cémentation ou carbonitruration et la formation du film thermique qui sont réalisés lors d'un même processus, [0054] - une meilleure accommodation et un meilleur rodage des pièces dans les premières phases de leur fonctionnement, et [0055] - une amélioration de la tenue au grippage. [0056] La présente invention est applicable à toute l'industrie métallurgique. [0057] L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation particuliers qui ont été décrits ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l'invention. 7 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] REVENDICATIONSHuile de trempe (30) de pièce en acier cémentée ou carbonitrurée (2h, 2c), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un additif antifriction et au moins un additif anti-usurc. Huile de trempe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit additif antifriction est de type amine, dithiocarhamate de molybdène (MoDTC) ou disulfure de molybdène (MoS2) et ledit additif anti-usure est de type dithiophosphatc de zinc (ZnDTP). Huile de trempe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la proportion dans l'huile de trempe desdits additifs est comprise entre 0,1 et 0,5% en valeur massique. Huile de trempe selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend une huile de base de type minérale. Procédé de traitement superficiel de pièce en acier comprenant une phase de cémentation ou carbonitruration (P1) pour obtenir une pièce cémentée ou carbonitrurée (2b) à partir d'une pièce en acier à traiter (2a), une phase de texturation (P2) de ladite pièce cémentée ou carbonitrurée (2b) pour obtenir une pièce avec texture (2c) et une phase de trempe (P3) de ladite pièce avec texture (2c), caractérisé en ce que ladite phase de trempe (P3) comprend une trempe de ladite pièce avec texture (2c) dans une huile de trempe (30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite phase de texturation (P2) comprend un rodage mécanique de ladite pièce cémentée ou carbonitrurée (2b) pour obtenir ladite pièce avec texture (2c). Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite huile de trempe (30) est agitée pendant ladite phase de trempe (P3) et est maintenue à une température comprise entre 50°C et 90°C. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ladite huile de trempe (30) est agitée pendant ladite phase de trempe (P3) et est maintenue à une température comprise entre 150°C et 175°C. Pièce en acier traitée (2d) obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8. Système mécanique comprenant au moins deux pièces en acier traitées (2d) selon la revendication 9 et une huile de lubrification d'une partie d'interaction entre lesdites pièces en acier traitées (2d), caractérisé en ce que ladite huile de lubrification est une huile additivée comprenant des additifs antifriction et anti-usure du même type que ceux incorporés dans l'huile de trempe (30) selon la revendication 1 à 4.