Procédé de durcissement superficiel de pièces métalliques

Abstract

 L'invention concerne un procédé de durcissement iperficiel de pièces métalliques par nitruration ou nitrocar- fration.
Selon le procédé, on place les pièces à traiter dans un ur et on les maintient, à'une température comprise entre 10°C et 750°C, dans une atmosphère formée par introduc-On dans ledit four d'un mélange gazeux comprenant atamment de l'ammoniac et un composé accélérateur de la ssociation catalytique de l'ammoniac au contact desdites èces constitué par un gaz oxydant. Le gaz oxydant est du otoxyde d'azote et le mélange gazeux contient environ 0, % à 10 % en volume dudit protoxyde d'azote. L'invention s'applique au durcissement superficiel de èces en acier.

Description

[0001] Comme on le sait, les traitements de nitruration ou de nitrocarburation en phase gazeuse sont destinés à améliorer la tenue à la fatigue et au grippage et à augmenter la résistance à l'usure et à la corrosion des aciers.

[0002] Ces traitements consistent à maintenir les pièces en acier dans une atmosphère contenant 50 % à 100 % d'ammniac gazeux à une température de 490°C à 750°C. Les pièces ainsi traitées sont ensuite refroidies par trempe en phase gazeuse ou liquide. Aux températures de traitement utilisées, l'ammoniac gazeux se décompose partiellement au contact des pièces en acier et l'azote naissant ainsi créé entre en solution solide et diffuse sur une certaine profondeur dans l'acier. Il se forme ainsi, à la surface de la pièce, une couche nitrurée qui est constituée d'une couche dite "couche de combinaison" ou "couche blanche" supportée par une couche dite "couche de diffusion". La structure et la composition de ces couches est la suivante :

- la couche blanche, située à l'extrême surface de la pièce, est constituée d'un mélange de nitrures ε (Fe₂N - Fe₃N) et de nitrures α ' (Fe4N).

- la couche de diffusion, sous-jacente à la couche blanche, est moins dure et plus épaisse que cette dernière ; dans cette couche de diffusion, l'azote est en solution solide d'insertion et forme des nitrures par combinaison avec certains des éléments constituant l'acier.

[0003] Les atmosphères de nitruration utilisées à l'heure actuelle sont constituées, soit d'ammoniac gazeux, soit d'ammoniac gazeux dilué dans de l'azote, soit d'ammoniac gazeux, le cas échéant dilué dans de l'azote, en mélange avec un composé susceptible d'augmenter le degré de dissociation de l'amnoniac au contact de la pièce et donc la cinétique de nitruration ; ce composé est, par exemple, un composé oxydant tel que l'oxygène, le gaz carbonique, la vapeur d'eau, ou bien un hydrocarbure. Selon certains procédés, on utilise un mélange d'amro- niac gazeux et d'un gaz porteur de carbone, par exemple un gaz endo- thezmique (CO-H₂-CO₂ - H₂O-CH₄-N₂) ou un hydrocarbure ; il y a alors nitrocarburation avec formation de carbonitrures ε. Dans tous les cas, selon les procédés utilisés jusqu'à présent, il est préférable d'avoir une concentration initiale d'ammoniac dans l'atmosphère utilisée d'au moins 50 %.

[0004] Parmi les procédés de nitruration utilisant de l'ammoniac en mélange avec un composé oxydant, mis en oeuvre jusqu'à présent, on peut citer plus particulièrement le procédé décrit dans le brevet anglais n° 2.049.740. Ce procédé consiste à maintenir des pièces en acier, à une température de 550°C à 600°C, dans une atmosphère gazeuse constituée d'au moins 50 % en volume d'ammoniac, de gaz carbonique et d'azote (par exemple 70 % de NH₃, 7 % de CO₂ et 23 % de N₂; pendant une durée de 12 à 20 heures.

[0005] Tous ces procédés permettent d'obtenir un durcissaient superficiel des pièces traitées mais présentent toutefois certains inconvénients relatifs à la couche blanche. En effet :

- la couche blanche se développe de façon hétérogène et présente don une épaisseur inégale sur toute la surface de la pièce. la couche blanche est fragile et peu adhérente du fait qu'elle es constituée d'un mélange intime des deux pièces ε (Fe₂N - Fe₃N) et α' (Fe₄N).

- la couche blanche se présente sous la forme d'une zone compacte recouverte d'une zone poreuse, ce qui dans certains cas peut présenter quelques inconvénients. Or, à partir d'une certaine durée traitement, la zone compacte atteint une épaisseur maximale limi (20µm) et, seule, la zone poreuse se développe.

- le temps d'incubation nécessaire à la nucléation des nitrures est assez long et la formation de la couche blanche exige donc un cer tain temps.

[0006] L'invention a pour objet un procédé de durcissement super ficiel de pièces métalliques, notanment de pièces en acier, par nitruration ou nitrocarburation qui permet de remédier aux inconvénie rappelés ci-dessus.

[0007] Le procédé conforme à l'invention consiste à placer lesdj pièces dans un four et à les maintenir, à une température comprise entre 490°C et 750°C, dans une atmosphère formée par introduction dans ledit four d'un mélange gazeux comprenant notamment de l'aimmor et un composé accélérateur de la dissociation catalytique de l'armo- niac au contact desdites pièces constitué par un gaz oxydant. Ce procédé se caractérise en ce que ledit gaz oxydant est du protoxyde d'azote, ledit mélange gazeux contenant environ 0,1 % à 10 % en volume dudit protoxyde d'azote.

[0008] Selon une caractéristique de l'invention, ledit mélange gazeux peut contenir environ 10 % à 99 % en volume d' ammoniac et au plus 90 % en volume d'azote.

[0009] Selon une variante de l'invention, ledit mélange gazeux contient en outre de l'hydrogène dans une concentration d'au plus 25 % en volume.

[0010] Selon une autre caractéristique de l'invention, dans le cas d'une nitrocarburation, ledit mélange gazeux contient en outre un gaz porteur de carbone. Ce gaz porteur de carbone est constitué par exemple, soit par un hydrocarbure, tel que du méthane ou du propane, dans une concentration d'au plus 25 % en volume, soit par du méthanol dans une concentration d'au plus 54 % en volume, soit par un mélange de ces deux composés.

[0011] A partir de 400°C, le protoxyde d'azote N₂0 se décompose catalytiquement facilement, libérant ainsi de l'oxygène sous forme atomique. Cet oxygène actif favorise la dissociation de l'ammoniac au contact de la pièce à traiter et permet donc une nitruration rapide et efficace de ladite pièce. Ainsi, l'utilisation d'un mélange gazeux contenant du protoxyde d'azote conforme à ..l'invention permet d'obtenir, du point de vue de la nitruration, des résultats nettement améliorés par rapport à l'utilisation de composés oxydants classiques tel que O₂, C0₂ ou H₂0. En effet :

- la couche blanche formée présente une épaisseur constante sur toute la surface de la pièce à traiter.

- la couche blanche n'est en générale constituée que de la phase ε (Fe₂N - Fe₃N), et est donc plus résistante. Si, parfois, pour certaines durées de traitement et teneurs en ammoniac de l'atmosphère utilisée, la phase Y' (Fe₄N) apparaît, cette dernière ne se mélange pas à la phase ε mais se présente conme une zone mince prise en sandwich entre la zone ε et la couche de diffusion ; dans ces conditions, la présence de la phase α' n'affecte pas la résistance de la couche nitrurée.

- la zone poreuse de la couche blanche est extrêmement mince, et peut même être inexistante dans le cas de traitements de faible durée.

- du fait que les cinétiques de réaction sont augmentées par rapport à celles des traitements classiques, le temps d'incubation nécessaire pour la nucléation des nitrures est plus court ; ceci permet, si on le désire, d'une part de pouvoir diminuer la concentration initiale du mélange gazeux en ammoniac jusqu'à 10 %, d'autre part de raccourcir la durée du traitement, et également de diminuer le débit et le taux de renouvellement de l'atmosphère dans le four de traitement.

[0012] Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'exemples de réalisation, donnés à titre non limitatif, du procédé de l'invention.

[0013] Dans tous les exemples décrits ci-après, le traitement est effectué dans un four du type "puits" représenté schématiquement sur la figure jointe. Ce four (1) est en matériau réfractaire (2) revêtu intérieurement d'un chemisage en acier (3) ; il est muni de résistances chauffantes (4) et d'un couvercle (5). La pièce en acier à traiter, représentée sous la forme d'un bloc (6), est placée à l'intérieur du four dans un panier (7) qui repose sur une grille (8) supportée par un socle (9) placé sur le fond du four (1). Une turbine (10), dont la fonction est de brasser en permanence l'atmosphère du four, est placée à distance au-dessus du panier (7). Les constituants du mélange gazeux de traitement sont amenés en continu dans le four (1), soit d'un mélangeur (11), soit séparément, par un ou des conduits (12) , munis d'une ou de vannes (13), traversant le couvercle (5). Ce mélange gazeux est évacué du four, également en continu, par le conduit (14). Les pièces traitées sont ensuite refroidies par trempe dans un bain d'huile (non représenté sur la figure).

[0014] Le même traitement a également été effectué dans un four du type "batch" avec un bain d'huile incorporé, comportant un sas entrée- sortie d'amenée des pièces dans l'enceinte de traitement, sas muni d'un bac de trempe à l'huile.

[0015] Bien entendu, on effectue une purge préalable du four par de l'azote gazeux avant chaque changement d'atmosphère.

Exemple 1.

[0016] On traite, d'une part des pièces en acier de nuance 35CD4, et d'autre part, des pièces en acier de nitruration de nuance 40CAD612, avec un mélange gazeux constitué de 40 % NH₃, 3 % N₂0 et 57 % N₂ à une température de 570°C.

[0017] De façon plus précise, on chauffe préalablement le four (1) à une température de 570°C. On amène alors le mélange gazeux (40 % NH₃ - 3 % N₂0 - 57 % N₂)_' provenant du mélangeur (11) dans le four (1) et on l'y fait circuler un certain temps. On place ensuite la pièce à traiter dans le panier (7) que l'on met dans le four (1). On fait alors circuler en continu le mélange gazeux NH₃ - N₂0 - N₂ dans le four à un débit de 0,25 m³/heure. Le taux de renouvellement de l'atmosphère du four est de 5 fois par heure.

[0018] On effectue ce traitement :

- d'une part, sur des pièces d'acier 35CD4, respectivement pendant deux heures, trois heures et quatre heures,

- d'autre part, sur des pièces d'acier 40CAD612, respectivement pendant deux heures, trois heures et quatre heures.

[0019] Après trempe des pièces ainsi traitées dans un bain d'huile, on effectue les mesures d'épaisseur et de dureté des couches nitrurées. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-après :

Exemple 2.

[0020] On traite des pièces en acier de nuance 35CD4 avec un mélange gazeux constitué de 40 % NH₃, 3 % N₂0, 10 % H₂ et 37 % N₂, respectivement pendant trois heures et quatre heures, dans des conditions identiques à celles de l'exemple 1 (même température, même débit du mélange gazeux, même taux de renouvellement de l'atmosphère du four).

[0021] Après trempe des pièces ainsi traitées dans un bain d'huile, on effectue les mesures d'épaisseur et de dureté des couches nitrurées. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-après :

Exemple 3.

[0022] On traite des pièces en acier de nuance 35CD4 avec un mélange gazeux constitué de 40 % NH₃, 3 % N₂0, 5 % C₃H₈ et 5² % N₂, ^pen- dant quatre heures, dans des conditions identiques à celles de l'exemple 1 (tenpérature, débit, taux de renouvellement).

[0023] Après trempe des pièces ainsi traitées dans un bain d'huile, on effectue les mesures d'épaisseur et de dureté des couches nitro- carburées. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-après :

Exemple 4.

[0024] On traite, d'une part des pièces en acier de nuance 35CD4, d'autre part, des pièces en acier de nuance 40CAD612, avec un mélange gazeux constitué de 40 % NH₃, 3 % N₂0, 11 % CH₃OH et 46 % N₂, pendant deux heures et demie, dans des conditions indentiques à celles de l'exemple 1 (température, débit, taux de renouvellement).

[0025] Après trempe des pièces ainsi traitées dans un bain d'huile, on effectue les mesures d'épaisseur et de dureté des couches nitro- carburées. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-après :

[0026] A titre de comparaison, on a effectué trois traitements de nitruration et de nitrocarburation, à l'aide d'atmosphères gazeuses classiques dans lesquelles le composé oxydant est du gaz carbonique, sur des pièces en acier identiques et dans les mêmes conditions que celles des exemples de l'invention décrits ci-dessus ( température 570°C ; débit : 0,25 m³/heure ; taux de renouvellement de l'atmosphère du four : 5 fois par heure).

Traitement I. (comparaison nitruration)

[0027] Un premier traitement a été effectué pendant trois heures avec un mélange gazeux constitué de 40 % NH₃, 10 % CO₂ et 50 % N₂, d'une part sur des pièces d'acier 35CD4, d'autre part sur des pièces d'acier 40CAD612. Les mesures d'épaisseur et de dureté des couches nitrurées des pièces ainsi traitées ont donné les résultats suivants :

Traitement II. (comparaison nitrocarburation)

[0028] Un deuxième traitement a été effectué pendant quatre heures avec un mélange gazeux constitué de 50 % NH₃, 5 % CO₂, 15 % CH₄ et 30 % N₂ sur des pièces d'acier 35CD4. Les mesures d'épaisseur et de lureté des couches nitrurées des pièces ainsi traitées ont donné les résultats suivants :

Traitement III. (comparaison nitrocarburation)

[0029] Un troisième traitement a été effectué pendant trois heures avec un mélange gazeux constitué de 40 % NH₃, 24 % H₂, 12 % CO, 24 % N₂, 1,7 % CO₂ et 2 % H₂0, d'une part sur des pièces d'acier 35CD4, d'autre part sur des pièces d'acier 40CAD612. Les mesures d'épaisseur et de dureté des couches nitrurées des pièces ainsi traitées ont donné les résultats suivants :

[0030] Comme on le voit, grâce au procédé de l'invention, on obtient des couches nitrurées plus épaisses et une couche blanche beaucoup plus dure que par les traitements classiques.

Revendications

1. - Procédé de durcissement superficiel de pièces métalliques, notanment de pièces en acier, par nitruration selon lequel on place lesdites pièces dans un four et on les maintient, à une température comprise entre 490°C et 750°C, dans une atmosphère formée par introduction dans ledit four d'un mélange gazeux comprenant notamment de l'amroniac et un composé accélérateur de la dissociation catalytique de l'ammoniac au contact desdites pièces constitué par un gaz oxydant, caractérisé en ce que ledit gaz oxydant est du protoxyde d'azote, ledit mélange gazeux contenant environ 0,1 % à 10 % en volume dudit protoxyde d'azote.

2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux oontient environ 10 % à 99 % en volume d'ammoniac.

3. - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux contient au plus 90 % en volume d'azote.

4. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux contient au plus 25 % en volume d'hydrogène.

5. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, dans le cas d'une nitrocarburation, ledit mélange gazeux contient en outre un gaz porteur de carbone.

6. - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux contient au plus 25 % en volume d'un hydrocarbure tel que du méthane ou du propane.

7. - Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit mélange gazeux contient au plus 54 % en volume de méthanol.

8. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on renouvelle l'atmosphère du four au moins 2 à 10 fois par heure.

9. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on maintient lesdites pièces dans ladite atmosphère pendant au moins une heure.

Dessins