Brevet FR3143042A1 — publié le 20240614

L’invention concerne un procédé de fabrication d’une pièce en acier nitruré dans lequel on fabrique une ébauche semi-finie en acier de nitruration et on met en œuvre sur l’ébauche semi-finie ainsi obtenue un traitement de renforcement comportant une étape de nitruration, ladite ébauche ou un barreau d’acier à partir duquel ladite ébauche est obtenue étant préalablement traité thermiquement, dans lequel on met en œuvre, préalablement à l’étape de nitruration du traitement de renforcement, une étape de trempe par induction sur l’ébauche semi-finie, la nitruration ensuite mise en œuvre étant une nitruration faible profondeur mise en œuvre sur une durée inférieure à 100H (préférentiellement inférieure à 50H et encore plus préférentiellement inférieure à 30H) à une température comprise entre 400°C et 600°C (préférentiellement inférieure à 500°C). Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Procédé de fabrication, notamment d’une pièce de turbomachine d’aéronef, à renforcement par nitruration Domaine technique général et art antérieur La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication d’une pièce en acier nitrurée. La nitruration des aciers faiblement alliés est une solution classique pour nombre des pièces, en particulier les pièces de transmission de puissance dans des turbomachines d’aéronefs (dentures d’engrenage, arbres cannelés, roulements, couronnes, etc.) dont la température de fonctionnement ne permet pas d’utiliser les aciers cémentés. Pour assurer la résistance mécanique attendue, ces pièces doivent présenter des duretés très importantes sur des profondeurs allant jusqu’à 2 ou 3 fois la profondeur de sous-couche sollicitée. Cette qualité et cette profondeur de durcissement peuvent être obtenues avec des aciers comportant des éléments d’alliage permettant un durcissement par nitruration. La nitruration consiste en une diffusion d'azote atomique N à la surface des pièces préalablement traitées par trempe et revenu (N et C pour nitrocarburation). L'insertion de N (ou N et C), la formation de nitrures avec les éléments d'alliage de l'acier, provoquent un durcissement de surface apportant les propriétés recherchées (dureté et résistance à la corrosion). Néanmoins, du fait de la cinétique de diffusion de l’azote, les traitements de nitruration nécessaires pour atteindre des profondeurs de renfort compatibles avec les applications mentionnées ci-dessus (profondeur de pénétration supérieure à 1mm) sont généralement longs (typiquement, plus de 500 heures). Ces traitements longs sont difficilement compatibles avec les cadences de production industrielles et sont onéreux. Présentation générale de l’invention Afin de faciliter l’industrialisation, un but de l’invention est de proposer un procédé de fabrication avec un temps de traitement de renforcement réduit, tout en permettant de conserver les propriétés de résistance requises. En particulier, selon un aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce en acier nitruré dans lequel on fabrique une ébauche semi-finie en acier de nitruration et on met en œuvre sur l’ébauche semi-finie ainsi obtenue un traitement de renforcement comportant une étape de nitruration, ladite ébauche ou un barreau d’acier à partir duquel ladite ébauche est obtenue étant préalablement traité thermiquement, dans lequel on met en œuvre, préalablement à l’étape de nitruration du traitement de renforcement, une étape de trempe par induction sur l’ébauche semi-finie, la nitruration ensuite mise en œuvre étant une nitruration faible profondeur mise en œuvre sur une durée inférieure à 250H (préférentiellement inférieure à 150H et encore plus préférentiellement inférieure à 100H) à une température comprise entre 400°C et 600°C (préférentiellement entre 450°C et 550°C). Cette solution permet de réduire drastiquement les temps de cycles en les faisant passer de quelques centaines d’heures à quelques dizaines d’heures. La combinaison d’un traitement superficiel par induction, suivi d’un traitement de nitruration proposé (nitruration faible profondeur) permet en effet de réduire considérablement le temps de nitruration nécessaire pour obtenir les propriétés mécaniques souhaitées. L’induction permet de traiter rapidement sur une forte profondeur (> 1 mm) en accord avec les contraintes de conception actuelles (2 à 3 fois la profondeur du chargement maximal). La nitruration faible profondeur permet d’augmenter encore la dureté de surface et donc la résistance à la fatigue de surface et à la flexion, notamment en pied de dent pour une denture. Ainsi, le traitement de renforcement permet d’assurer la résistance à la fatigue de sous-couche (lieu du chargement maximal), à la fatigue de surface (micro-écaillage) et à la flexion en pied de dent. Par ailleurs, les distorsions liées au traitement de renforcement sont moindres comparativement à une nitruration forte profondeur seule, ce qui facilite la fabrication des pièces et permet de réduire l’épaisseur de matière à reprendre lors de l’usinage final (gains économiques sur matière et limitation des temps d’intervention liés à la reprise de la pièce à la fin de la fabrication (passant de plusieurs centaines de µm à plusieurs dizaines de µm d’épaisseur reprises sur pièce post-traitement)). Le procédé proposé est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes. L’acier de nitruration comporte des éléments d’alliage nitrurigènes et une teneur en carbone comprise entre 0,20 % et 0,45 %, préférentiellement supérieure à 0,25 %. La profondeur de la couche de nitruration est inférieure à 1,5 mm et est préférentiellement comprise entre 0,1 mm à 1 mm et encore plus préférentiellement entre 0,2 et 0,8 mm. Le traitement thermique préalable mis en œuvre sur une ébauche ou sur un barreau d’acier à partir duquel ladite ébauche est obtenue, est par exemple un traitement de trempe et de revenu. Également, on met en œuvre préférentiellement, préalablement à l’étape de nitruration, une préparation de la surface par sablage et/ou phosphatation. Par ailleurs, on met avantageusement en œuvre sur la pièce obtenue une finition par usinage de rectification et/ou polissage électrochimique et/ou tribofinition. La pièce est avantageusement une pièce de transmission de puissance d’une turbomachine d’aéronef, telle qu’une pièce à denture ou à cannelure, une pièce de pignonnerie, une piste de roulement, etc… Outre le gain en temps de traitement, le traitement couplé induction puis nitruration permet d’assurer la tenue à la fatigue de sous-couche au juste besoin, d’améliorer la résistance à la fatigue de surface (micro-écaillage) et à la flexion en pied de dent. On notera également que le fait de faire intervenir la nitruration après l’induction permet de minimiser l’austénite résiduelle, ce qui est une caractéristique importante dans les applications aéronautiques, dès lors que l’austénite résiduelle peut avoir un impact sur les distorsions géométriques et sur l’instabilité métallurgique de la pièce. L’intervention de la nitruration après l’induction permet également d’éviter la génération de ferrite à l’azote. Ce déroulement permet en outre plus de contraintes en proximité de surface ainsi qu’un cumul des profils de contraintes résiduelles liés aux deux traitements. Tout ceci est favorable pour la tenue en fatigue de contact et en fatigue flexion, notamment en pied de dent. En outre, l’induction génère de la martensite fraiche après trempe. Une telle génération nécessite normalement un traitement de revenu : celui-ci est en l’occurrence incorporé dans l’étape de nitruration. Aucune étape de revenu supplémentaire n’est ensuite nécessaire. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : la est une représentation schématique en coupe de deux roues engrenées d’un engrenage de transmission de puissance ; la illustre schématiquement une denture des roues de l’engrenage de la ; la illustre le profil de dureté attendu suite au traitement de trempe superficielle puis nitruration, les limites acceptables en dureté et profondeur de traitement étant également renseignées. Description d’un ou plusieurs modes de mise en œuvre et de réalisation Pièces et applications De façon générale, le procédé proposé s’applique avantageusement à toute pièce à contrainte de chargement maximum en sous-couche. Il est particulièrement avantageux dans le domaine de l’aéronautique et en particulier pour le renforcement de pièces de transmission de puissance du type à denture et/ou cannelure, pignonnerie (pignons notamment), pistes de roulement, etc. dans des turbomachines d’aéronef. Plus généralement, il peut s’appliquer à toutes les pièces qui ont à subir un environnement thermique sévère et qui sont fortement sollicitées mécaniquement en surface (fatigue flexion, fatigue de contact, fretting, usure, etc.). On a représenté sur la deux roues 1a, 1b d’un engrenage cylindrique E à denture droite et sur la une denture D de l’une des roues 1a ou 1b de cet engrenage E. Une telle denture subit à la fois des contraintes de fatigue en flexion en pied de dent (zone P) et des contraintes de pression superficielles susceptibles de générer de l’écaillage à la surface de contact des dents (zone S) voire de générer une rupture des dents. Les pièces 1a et 1b peuvent être fabriquées selon le procédé tel que décrit ci-après qui assure la dureté et la résistance à la flexion compatible avec l’application de l’engrenage. Alliages La pièce fabriquée par le procédé proposé est en un acier de nitruration faiblement allié avec des éléments d’alliage nitrurigènes comme Cr, V, Mo et Al, (liste non exhaustive) permettant un durcissement par nitruration (précipitation de nitrures submicroscopiques à partir de ces éléments nitrurigènes, présents en solution solide dans l'acier traité, etc…). Un tel acier de nitruration présente typiquement une teneur en carbone comprise entre 0,15% et 0,8%, préférentiellement entre 0,15% et 0,65%, permettant de conférer au matériau de base ses propriétés mécaniques à cœur après traitement thermique. De tels aciers sont par exemples les suivants : 32CDV13 (33CrMoV12-9), 40CDV12 (40CrMoV13-9), acier 300M, etc… La fabrication de la pièce met en œuvre la fabrication d’une ébauche de la pièce dans cet acier, un traitement thermique de cette ébauche, puis une semi-finition de l’ébauche. La pièce 5 semi-finie obtenue fait ensuite l’objet d’une trempe par induction, puis d’une nitruration faible profondeur. Fabrication d’une ébauche Dans une première étape, une ébauche de la pièce en acier est fabriquée pour donner une première forme à la pièce concernée. Cette ébauche est obtenue par étapes successives d’usinage « grossier » sur un barreau en acier. Ces étapes permettent d’obtenir la forme générale de la pièce. A ce stade, des surplus de matière (environ 0.5mm des côtes minimales) sont conservés en surface pour la phase ultérieure d’usinage de finition, et qui permet d’atteindre les côtes dimensionnelles finales désirée de la pièce (étape 1). D’autres techniques d’obtention d’ébauche pourraient bien entendu également être envisagées : fabrication additive notamment, dans le cas de pièces de formes complexes. Traitement thermique de l’ébauche ou de l’acier L’ébauche ainsi fabriquée fait l’objet d’un traitement thermique, par trempe et revenu. Le traitement de trempe assure une austénitisation de l’acier. Il est mis en œuvre par un chauffage à une température comprise entre 800°C et 1200°C, typiquement entre 900°C et 1100°C pendant quelques heures Le revenu intervient à une température entre 200°C et 650°C, typiquement entre 520°C et 650°C pendant quelques heures, par exemple 620°C pendant 2 à 4 heures. En variante, il peut être prévu que le traitement de trempe et revenu ébauche intervienne avant l’usinage de l’ébauche, sur le barreau d’acier. Trempe par Induction La trempe par induction électromagnétique permet d'obtenir un chauffage uniforme, rapide, sur une profondeur contrôlée et reproductible de 1 mm à plusieurs centimètres. La trempe par induction peut être réalisée sur toutes les dents simultanément ou de façon localisée, par exemple dent par dent. Lors d’une trempe par induction sur toutes les dents simultanément, la pièce est placée à l'intérieur d’un inducteur mono-ou multi-spire entourant la pièce de manière coaxiale et parcouru par un courant alternatif à haute, moyenne ou basse fréquence. Celui-ci se comporte avec la pièce comme un transformateur et développe un courant induit dans celle-ci. Le champ magnétique alternatif dans la pièce chauffe la surface extérieure. Dans le cas d’une trempe localisée, on chauffe la zone d’intérêt avec un inducteur qui est parcouru par un courant alternatif La puissance délivrée est choisie suffisante pour assurer l’austénitisation sur la profondeur fonctionnelle souhaitée. Pour une trempe de contour sur denture, le champ alternatif alimentant est typiquement à haute fréquence (10 à 600kHz), avec un générateur de courant dont la puissance est supérieure à 10 kW. D’autres fréquences et puissances sont bien entendu envisageables en fonction de la profondeur de renforcement recherchée. L'effet de chauffe à la périphérie de la pièce étant très rapide, la durée de l’induction peut être courte : quelques dixièmes de secondes à quelques secondes. Ce traitement permet par exemple une dureté jusqu’à 700 HV - (dureté Vickers)) sur une forte profondeur (> 1mm). Typiquement, la dureté obtenue est de 600 HV pour le 32CDV13 et de 700 HV pour le 40CDV12. Préparation de surface pour nitruration Ce traitement de nitruration est précédé par une préparation de la surface par sablage et/ou phosphatation. Nitruration faible profondeur Ce traitement de trempe est suivi par un traitement de nitruration faible profondeur (étape 3b). La nitruration peut, de façon traditionnelle, consister à plonger la pièce dans un milieu susceptible de céder de l'azote en surface, à une température permettant à l'azote de diffuser de la surface vers le cœur de la pièce. Cette nitruration peut être une nitruration gazeuse, ionique ou par bains de sel. Elle intervient à des températures assez faibles (comprises entre 400°C et 600°C et préférentiellement inférieures à 500°C pour éviter de perdre l’avantage apporté par le traitement d’induction). La durée est restreinte (une dizaine ou quelques dizaines d’heures - 20h à 30h, par exemple et en tout état de cause moins de 100H (préférentiellement moins de 50H)) et est fonction de la profondeur de la couche totale de nitruration souhaitée, des conditions de nitruration et des applications visées. Pour des exemples de procédé de nitruration, on pourra avantageusement se référer à la thèse TS O. Skiba « Développement d'un procédé de nitruration pour l'aéronautique. Étude des mécanismes de durcissement sur des alliages fer-chrome nitrurés ». En pratique, la nitruration pourra toutefois être choisie en fonction des applications industrielles et du besoin fonctionnel de renforcement du matériau mécanique en sous-surface. Typiquement, la profondeur de la couche de nitruration peut atteindre jusqu’à 1,5 mm. Elle est comprise préférentiellement entre 0,1 mm à 1 mm et encore plus préférentiellement entre 0,2 et 0,8 mm. Le niveau de dureté obtenu est supérieur à celui en sortie de l’étape de trempe par induction (typiquement supérieur à 800 HV). C’est ce qui est illustré sur la : le traitement de trempe superficielle permet des duretés de 600 HV ou supérieures (partie de courbe TS) ; la nitruration complémentaire augmente cette dureté et permet des valeurs supérieures à 800 HV. Finitions On prévoit ensuite une étape de finition, puis une étape de superfinition. L’étape de finition consiste par exemple en une reprise usinage en rectification des distorsions géométriques et d’une éventuelle couche blanche. Il est notable qu’avec le procédé proposé, cette étape de finition génère moins de copeaux de matière (on passe de l’ordre de la centaine de µm à l’ordre de la dizaine de µm). On constate en effet que l’induction génère moins de changements géométriques que la nitruration profonde. Cette étape de finition peut être ensuite suivie d’une étape de superfinition, qui met par exemple en œuvre un polissage électrochimique et/ou une tribofinition dans un bain de granulés, afin de donner l’état de surface recherché à la pièce. La pièce issue du procédé se distingue de celle obtenue par un procédé classique par des pourcentages typiques en Carbone et Azote dus au procédé. On peut observer l’absence de gradient de Carbone dans la zone issue de la trempe par induction (contrairement à la cementation). Procédé de fabrication d’une pièce en acier nitruré dans lequel on fabrique une ébauche semi-finie en acier de nitruration et on met en œuvre sur l’ébauche semi-finie ainsi obtenue un traitement de renforcement comportant une étape de nitruration, ladite ébauche ou un barreau d’acier à partir duquel ladite ébauche est obtenue étant préalablement traité thermiquement, dans lequel on met en œuvre, préalablement à l’étape de nitruration du traitement de renforcement, une étape de trempe par induction sur l’ébauche semi-finie, la nitruration ensuite mise en œuvre étant une nitruration mise en œuvre sur une durée inférieure à 250H, à une température comprise entre 400°C et 600°C. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape de nitruration est d’une durée inférieure à 150H. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l’étape de nitruration est d’une durée inférieure à 100H. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la température de nitruration est comprise entre 450°C et 550°C. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’acier de nitruration comporte des éléments d’alliage nitrurigènes et une teneur en carbone comprise entre 0,15% et 0,8%, préférentiellement entre 0,15% et 0,65%. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la profondeur de la couche de nitruration est inférieure à 1,5 mm et est préférentiellement comprise entre 0,1 mm et 1 mm. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le traitement thermique préalable mis en œuvre sur une ébauche ou sur un barreau d’acier à partir duquel ladite ébauche est obtenue, est un traitement de trempe et de revenu. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on met en œuvre préalablement à l’étape de nitruration une préparation de la surface par sablage et/ou phosphatation. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on met en œuvre sur la pièce obtenue une finition par usinage en rectification et/ou polissage électrochimique et/ou tribofinition. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce est à denture et la trempe par induction intervient sur toutes les dents simultanément ou de façon localisée. Pièce de transmission de puissance d’une turbomachine d’aéronef, caractérisée en ce qu’elle est obtenue par un procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes.