Brevet FR3132720A1 — publié le 20230818

[Procédé de renforcement d’une pièce en acier par carbonitruration] Ce procédé de renforcement (1) d’une pièce en acier comprenant une étape de carbonitruration comprenant une première sous-étape de cémentation et une deuxième sous-étape de nitruration, est caractérisé en ce que les première et deuxième sous-étapes de cémentation et de nitruration de l’étape de carbonitruration de la pièce sont réalisées dans un même cycle de traitement thermique (2). Référence : Figure 2 Procédé de renforcement d’une pièce en acier par carbonitruration Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un procédé de renforcement d’une pièce en acier, notamment en acier fortement allié, ainsi qu’une pièce renforcée par la mise en œuvre dudit procédé. En particulier, la pièce renforcée peut être une partie constitutive d’un roulement, notamment une des bagues du roulement, et éventuellement les éléments roulants. De façon avantageuse, l’invention trouve son application dans le renforcement des bagues d’un roulement de moteur pour aéronef. Etat de la technique antérieure Les roulements de moteur pour aéronef peuvent être soumis à d’importantes charges qui peuvent engendrer des endommagements par fatigue. Les roulements doivent être équipés de bagues avec des chemins de roulement d’une dureté élevée pour résister aux déformations plastiques localisées et ayant une bonne résistance à la fatigue de roulement. Par ailleurs, d’autres surfaces fonctionnelles des bagues du roulement, par exemple une collerette ou encore une cage écureuil, « squirrel cage » en langue anglaise, nécessitent également d’avoir une bonne tenue à la fatigue et de bonnes résistance mécanique et ténacité pour supporter les charges auxquelles elles sont soumises. Généralement, ces bagues sont constituées d’acier M50NiL, traité par cémentation. L’acier M50NiL est un acier allié à faible teneur de carbone avec des ajouts de molybdène, de chrome et de nickel. Les traitements par cémentation consistent à obtenir un enrichissement superficiel en carbone de l’acier et permettent ainsi aux pièces traitées d’avoir une dureté très élevée avec d’excellentes propriétés de résistance à la fatigue de roulement. Classiquement, sur une bague de roulement, on adapte la profondeur de la cémentation, c’est-à-dire l’épaisseur de la couche enrichie en carbone, en fonction des caractéristiques de la surface de roulement, et de la valeur maximale de la pression de contact. Le recours à la cémentation peut toutefois rencontrer quelques limitations notamment en cas de besoin de performances accrues, par exemple lorsque des valeurs très élevées de pression de contact de Hertz sont nécessaires en fatigue de contact pur ou dans certaines conditions de température ou de contamination. Pour dépasser ces limitations, on a recours à une étape de nitruration qui intervient après des étapes successives et préalables de cémentation et de trempe. Ce procédé cémentation-trempe-nitruration, connu sous le nom de « duplex hardening » en langue anglaise, améliore grandement les propriétés de résistance à la fatigue et de résistance à l’usure des surfaces traitées. Cependant, la mise en œuvre de ce procédé est complexe à cause du nombre et de la durée des étapes nécessaires au cycle de production, en particulier à cause des opérations de rectification des surfaces, exécutées pour éliminer les déformations dues à la trempe et au changement dimensionnel après nitruration. Au vu de ce qui précède, l’invention vise à optimiser le cycle de production de surfaces traitées. L’invention vise également à améliorer les propriétés mécaniques et tribologiques des pièces obtenues par rapport à un traitement par cémentation seule, avec des coûts de production équivalents. L’invention a pour objet un procédé de renforcement d’une pièce en acier comprenant une étape de carbonitruration comprenant une première sous-étape de cémentation et une deuxième sous-étape de nitruration. Dans ce procédé, les première et deuxième sous-étapes de cémentation et de nitruration de l’étape de carbonitruration de la pièce sont réalisées dans un même cycle de traitement thermique. Par « cycle de traitement thermique », on entend une montée en température de la pièce à renforcer à partir d’une température basse jusqu’à une température élevée, un maintien de la pièce à la température élevée, et une baisse de la température de la pièce vers la température initiale basse ou en dessous de cette température initiale basse. En comparaison avec un procédé classique de type « duplex hardening », l’intégration des sous-étapes de cémentation et nitruration dans le même cycle de traitement thermique présente l’avantage de simplifier le procédé de fabrication et de réduire les coûts de production. En comparaison avec un procédé de cémentation sans nitruration, les pièces traitées selon le procédé de l’invention développent de meilleures résistances à la fatigue et à l’usure, avec des coûts de fabrication équivalents. De préférence, l’étape de carbonitruration est réalisée à une pression inférieure ou égale à 150 mbar. Avantageusement, l’acier de la pièce est un acier M50NiL. L’acier M50NiL est défini dans des standards internationaux tel que l’AMS6278 et est caractérisé par la composition chimique suivante donnée en pourcentage massique : Carbone 0,11-0,15; Manganèse 0,15-0,35; Silicium 0,10-0,25; Phosphore 0,015 max; Soufre 0,010 max ; Chrome 4,00-4,25; Nickel 3,20-3,60; Molybdène 4,00-4,50; Vanadium 1,13-1,33; Cobalt 0,25 max.; Tungstène 0,15 max.; Cuivre 0,10 max. Selon une caractéristique avantageuse, de l’azote et du carbone utilisés lors de l’étape de carbonitruration sont amenés en surface de l’acier de la pièce sous forme d’ammoniac et acétylène, respectivement. De préférence, le procédé comprend en outre une étape de durcissement réalisée après l’étape de carbonitruration et dans le même cycle de traitement thermique que cette dernière. Par exemple, le procédé comprend en outre une étape de durcissement et une étape de recuisson (techniquement « recuit »), chacune des étapes de carbonitruration, de durcissement et de recuisson étant réalisée dans un cycle de traitement thermique qui lui est propre, ladite étape de recuisson étant réalisée après l’étape de carbonitruration et avant l’étape de durcissement. Avantageusement, l’étape de durcissement comprend une première sous-étape d’austénitisation de la pièce suivie d’une deuxième sous-étape de trempe de la pièce. Selon une autre caractéristique avantageuse, le procédé comprend en outre une étape de post-traitement réalisée après l’étape de durcissement et dans un cycle de traitement thermique différent de ceux des autres étapes du procédé. Avantageusement, l’étape de post-traitement comprend le revenu de la pièce. Par exemple, la pièce en acier est une bague de roulement. Selon un deuxième aspect, l’invention a pour objet une bague de roulement renforcée par la mise en œuvre du procédé de renforcement décrit ci-dessus. Brève description des figures D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : illustre un organigramme du procédé de renforcement selon un exemple de réalisation de l’invention ; illustre l’évolution de la température pendant le procédé de renforcement selon l’invention ; illustre l’évolution de la dureté en fonction de la distance à la surface des pièces traitées par le procédé selon l’invention ; illustre les pourcentages massiques d’azote et de carbone contenus en fonction de la distance à la surface pour des pièces traitées selon le procédé de l’invention ; et illustre une variante du procédé de renforcement selon l’invention. Procédé de renforcement (1) d’une pièce en acier comprenant une étape de carbonitruration (10) comprenant une première sous-étape de cémentation (10a) et une deuxième sous-étape de nitruration (10b), caractérisé en ce que les première et deuxième sous-étapes de cémentation (10a) et de nitruration (10b) de l’étape de carbonitruration de la pièce sont réalisées dans un même cycle de traitement thermique (2,6). Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de carbonitruration (10) est réalisée à une pression inférieure ou égale à 150mbar. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’acier de la pièce est un acier M50NiL. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel de l’azote et du carbone utilisés lors de l’étape de carbonitruration (10) sont amenés en surface de l’acier de la pièce sous forme d’ammoniac et acétylène, respectivement. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de durcissement (12) réalisée après l’étape de carbonitruration (10) et dans le même cycle de traitement thermique (6) que cette dernière. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre une étape de durcissement (12) et une étape de recuisson (11), chacune des étapes de carbonitruration (10), de durcissement (12) et de recuisson (11) étant réalisée dans un cycle de traitement thermique qui lui est propre (2,3,4), ladite étape de recuisson (11) étant réalisée après l’étape de carbonitruration (10) et avant l’étape de durcissement (12). Procédé selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel l’étape de durcissement (12) comprend une première sous-étape d’austénitisation (12a) de la pièce suivie d’une deuxième sous-étape de trempe (12b) de la pièce, ledit procédé comprenant en outre une étape de post-traitement (13) réalisée après l’étape de durcissement (12) et dans un cycle de traitement thermique différent (5) de ceux des autres étapes du procédé. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l’étape de post-traitement (13) comprend un revenu de la pièce. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce en acier est une bague de roulement. Bague de roulement renforcée par la mise en œuvre du procédé de renforcement selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.