La présente invention concerne la fabrication de pièces en acier dont au moins une partie de la surface est durcie par cémentation ou carbonitruration, suivi d'une trempe à l'huile ou au gaz.

De nombreuses pièces de mécaniques en acier, telles que, par exemple, les engrenages, sont durcies en surface par cémentation ou carbonitruration. Pour cela, les pièces sont maintenues dans une atmosphère riche en carbone ou en carbone et en azote à une température supérieure à 900 °C pendant quelques heures, de façon à enrichir l'acier en carbone ou en carbone et en azote sur une certaine profondeur sous la surface, par diffusion de ces éléments à partir de la surface, puis, les pièces sont trempées à l'huile froide, tiède ou chaude, ou au gaz, de façon à durcir la surface. La cémentation ou la carbonitruration peut être effectuée également à une température supérieure à 1000 °C, on dit alors qu'il s'agit d'une cémentation ou d'une carbonitruration à haute température.

Pour fabriquer de telles pièces on utilise des aciers contenant de 0,15 % à 0,35 % de carbone, alliés au chrome, ou alliés au chrome et au molybdène, ou encore, alliés au chrome et au manganèse. Cette technique qui permet d'obtenir une dureté élevée en surface et au voisinage de celle ci, et qui permet, également, d'obtenir de bonnes caractéristiques mécaniques au coeur des pièces, présente cependant l'inconvénient d'engendrer des déformations pouvant conduire au rebut des pièces ou nécessitant des usinages supplémentaires coûteux.

Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un moyen pour fabriquer des pièces en acier dont au moins une partie de la surface est durcie par cémentation ou par carbonitruration notamment à haute température.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une pièce de mécanique en acier selon lequel on fabrique une ébauche de pièce en acier et on effectue un traitement de cémentation ou de carbonitruration notamment à haute température d'au moins une partie de la surface de l'ébauche de la pièce. Selon ce procédé, la composition chimique de l'acier dont est constitué la pièce, comprend, en poids :$$\text{0,2 \% ≤ C ≤ 0,26 \%}$$$$\text{0,05 \% ≤ Si ≤ 0,5 \%}$$$$\text{1\% ≤ Mn ≤ 1,6\%.}$$$$\text{0,4\% ≤ Cr ≤ 1,5\%}$$$$\text{0,08\% ≤ Mo ≤ 0,27\%}$$$$\text{0\% ≤ Ni ≤ 0,6\%}$$$$\text{0,003 \% ≤ Al ≤ 0,06 \%}$$$$\text{0\% ≤ Cu ≤ 0,3 \%}$$$$\text{0\% ≤ S ≤ 0,1\%}$$$$\text{P ≤ 0,03 \%}$$$$\text{0\% ≤ Ti ≤ 0,05\%}$$ éventuellement, jusqu'à 0,02 % de tellure, jusqu'à 0,04 % de sélénium, jusqu'à 0,07 % de plomb, jusqu'à 0,005 % de calcium, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. De plus, la composition chimique de l'acier est ajustée pour que la courbe JOMINY de l'acier soit telle que :$${\text{45 HRC ≤ J}}_{\text{3}}\text{≤ 50 HRC}$$$${\text{39 HRC ≤ J}}_{\text{11}}\text{≤ 47 HRC}$$$${\text{31 HRC ≤ J}}_{\text{25}}\text{≤ 40 HRC}$$ et pour que les valeurs moyennes J_3m, J_11m, J_15m et J_25m de cinq essais JOMINY soient telles que :$${\text{|J}}_{\text{11m}}{\text{- J}}_{\text{3m}}{\text{x 14 /22 - J}}_{\text{25m}}\text{x 8 / 22| ≤ 2,5 HRC}$$ et,$${\text{J}}_{\text{3m}}{\text{- J}}_{\text{15m}}\text{≤ 9 HRC, et de préférence, ≤ 8 HRC}$$

De préférence, la courbe JOMINY est telle que l'une au moins des conditions suivantes soit satisfaite :$${\text{10 x (J}}_{\text{7m}}{\text{- J}}_{\text{11m}}{\text{) / (4 x (J}}_{\text{15m}}{\text{- J}}_{\text{25m}}\text{)) ≤ 2,15}$$ et:$${\text{10 x (J}}_{\text{7m}}{\text{- J}}_{\text{15m}}{\text{) / (8 x (J}}_{\text{15m}}{\text{- J}}_{\text{25m}}\text{)) ≤ 2}$$

De préférence, la composition chimique de l'acier est telle que :$$\text{0,21 \% ≤ C ≤ 0,25 \%}$$$$\text{0,1 \% ≤ Si ≤ 0,45 \%}$$$$\text{1,1 \% ≤ Mn ≤ 1,5 \%}$$$$\text{0,9\% ≤ Cr ≤ 1,4 \%}$$$$\text{0,09 \% ≤ Mo ≤ 0,26 \%}$$$$\text{0 \% ≤ Ni ≤ 0,6 \%}$$$$\text{0,005 \% ≤ Al ≤ 0,05 \%}$$$$\text{0 \% ≤ Cu ≤ 0,3 \%}$$$$\text{0 \% ≤ Ti ≤ 0,05 \%}$$$$\text{P ≤ 0,03 \%}$$

De préférence, la teneur en azote de l'acier est comprise entre 0,004 % et 0,02 %.

L'invention concerne également un acier de cémentation dont la composition chimique est celle qui vient d'être indiquée ; cet acier de cémentation ayant une courbe JOMINY telle que :$${\text{45 HRC ≤ J}}_{\text{3}}\text{≤ 50 HRC}$$$${\text{39 HRC ≤ J}}_{\text{11}}\text{≤ 47 HRC}$$$${\text{31 HRC ≤ J}}_{\text{25}}\text{≤ 40 HRC}$$ les valeurs moyennes J_3m, J_11m, J_15m et J_25m de cinq essais JOMINY étant telles que :$${\text{|J}}_{\text{11m}}{\text{- J}}_{\text{3m}}{\text{x 14 /22 - J}}_{\text{25m}}\text{x 8 / 22| ≤ 2,5 HRC}$$ et,$${\text{J}}_{\text{3m}}{\text{- J}}_{\text{15m}}\text{≤ 9 HRC, et de préférence, ≤ 8 HRC}$$ De préférence, les valeurs moyennes J_7m, J_11m, J_15m et J_25m de cinq essais JOMINY sont telles que l'une au moins des conditions suivantes soit satisfaite :$${\text{10 x (J}}_{\text{7m}}{\text{- J}}_{\text{11m}}{\text{) / (4 x (J}}_{\text{15m}}{\text{- J}}_{\text{25m}}\text{)) ≤ 2,15}$$ et :$${\text{10 x (J}}_{\text{7m}}{\text{- J}}_{\text{15m}}{\text{) / (8 x (J}}_{\text{15m}}{\text{- J}}_{\text{25m}}\text{)) ≤ 2}$$

L'invention va maintenant être décrite plus en détails mais de façon non limitative, et illustrée par des exemples.

Les inventeurs ont constaté de façon nouvelle et inattendue, que les déformations engendrée par la trempe qui est effectuée en fin de traitement de cémentation ou en fin de carbonitruration pouvaient être considérablement atténuées, voire supprimées, à condition d'utiliser, pour fabriquer la pièce, un acier dont la courbe JOMINY ne présente pratiquement pas de points d'inflexion, contrairement aux courbes JOMINY des aciers utilisés habituellement pour cet usage. Plus précisément, ils ont constaté qu'on devait utiliser un acier contenant

• de 0,2 % à 0,26 % de carbone pour que l'acier soit facilement usinable, et pour obtenir une ténacité suffisante dans les parties non cémentées ou non carbonitrurées de la pièce;
• de 0,05% à 0,5% de silicium pour assurer une désoxydation suffisante de l'acier ;
• des éléments d'alliage tels que le manganèse, le chrome, le molybdène et le nickel, en des teneurs telles que décrits dans la revendication 1, de façon à apporter une trempabilité suffisante, ajuster la forme de la courbe JOMINY et ajuster les propriétés mécaniques de la pièce tant à coeur que dans les zones cémentées ou carbonitrurées ;
• de 0,003 à 0,06 % d'aluminium pour compléter la désoxydation et contrôler le grain ;
• moins de 0,3 %, de cuivre, qui est considéré comme une impureté qui tend à diminuer la ductilité et la ténacité des zones non cémentées ou non carbonitrurées ;
• éventuellement, de 0 % à 0,05 % de titane pour former des nitrures durcissants ;
• de préférence, la teneur en azote, élément toujours présent et qui réagit avec l'aluminium ou le titane pour former des nitrures, doit être comprise entre 0,004 % et 0,02 % ;
• jusqu'à 0,1 % de soufre pour améliorer l'usinabilité ;
• moins de 0,03 % de phosphore qui est une impureté défavorable à la ductilité et à la ténacité.

L'acier peut contenir, en outre, jusqu'à 0,02 % de tellure, jusqu'à 0,04 % de sélénium, jusqu'à 0,07 % de plomb, jusqu'à 0,005 % de calcium, pour améliorer l'usinabilité. Le reste de la composition est du fer et des impuretés résultant de l'élaboration

La composition chimique est ajustée pour que la courbe JOMINY de l'acier soit telle que :$${\text{45 HRC ≤ J}}_{\text{3}}\text{≤ 50 HRC}$$$${\text{39 HRC ≤ J}}_{\text{11}}\text{≤ 47 HRC}$$$${\text{31 HRC ≤ J}}_{\text{25}}\text{≤ 40 HRC}$$ et pour que les valeurs moyennes J_3m, J_7m, J_11m, J_15m et J_25m de cinq essais JOMINY soient telles que :$${\text{|J}}_{\text{11m}}{\text{- J}}_{\text{3m}}{\text{x 14/22 - J}}_{\text{25m}}\text{x 8/22| ≤ 2,5 HRC}$$ et,$${\text{J}}_{\text{3m}}{\text{- J}}_{\text{15m}}\text{≤ 9 HRC, et de préférence, ≤ 8 HRC}$$

La courbe JOMINY, est une courbe qui caractérise la trempabilité de l'acier. Elle est obtenue en mesurant la dureté le long d'une génératrice d'une éprouvette cylindrique trempée par un jet d'eau arrosant une de ses extrémités. La dureté mesurée à une distance de x mm de l'extrémité arrosée est appelée J_x. Cet essai est bien connu de l'Homme du Métier. Il présente cependant la caractéristique d'être naturellement assez dispersé. C'est pour cela que la forme de la courbe JOMINY est caractérisée, ici, d'une part par des fourchettes de valeur pour les points J₃, J₁₁ et J₂₅, et par la relation : |J_11m - J_3m x 14 /22 - J_25m x 8 / 22| ≤ 2,5 HRC, qui fait intervenir les moyennes de cinq essais différents, effectués avec le même acier. Plus précisément, on effectue successivement 5 essais identiques ; pour chaque essai, on mesure au moins les valeurs de J₃, J₇, J₁₁, J₁₅ et J₂₅, on obtient ainsi cinq valeurs pour J₃, J₇, J₁₁, J₁₅ et J₂₅, et on calcule pour chaque point J_x, la moyenne J_xm des cinq valeurs. Dans cette relation, les barres verticales sont le symbole connu en lui même de la valeur absolue. La relation, elle même, combinée avec la relation J_3m-J_15m ≤ 9 HRC ou ≤ 8 HRC, exprime que la courbe JOMINY ne présente pas d'inflexion marquées.

La forme souhaitée pour la courbe JOMINY peut être affinée en imposant qu'elle satisfasse au moins une des relations suivantes :$${\text{10 x (J}}_{\text{7m}}{\text{- J}}_{\text{11m}}{\text{) / (4 x (J}}_{\text{15m}}{\text{- J}}_{\text{25m}}\text{)) ≤ 2,15}$$ et:$${\text{10 x (J}}_{\text{7m}}{\text{- J}}_{\text{15m}}{\text{) / (8 x (J}}_{\text{15m}}{\text{- J}}_{\text{25m}}\text{)) ≤ 2}$$

De telles courbes JOMINY peuvent être obtenues notamment avec un acier conforme à ce qui vient d'être défini, dont la composition chimique comprend, en poids :

• de 0,2 % à 0,26 %, et de préférence, de 0,21 % à 0,25 % de carbone pour avoir une dureté pas trop grande dans les pièces avant cémentation ou carbonitruration, et pour obtenir une bonne aptitude à la cémentation ou à la carbonitruration ;
• de 1 % à 1,6 %, et de préférence de 1,1 % à 1,5 % de manganèse pour obtenir une bonne santé interne, pour fixer le soufre, et pour, en combinaison avec le chrome et le molybdène, ajuster la trempabilité de façon à obtenir une courbe JOMINY satisfaisante ;
• de 0,05 % à 0,5 %, et de préférence, de 0,1 % à 0,45 % de silicium ;
• de 0,4 % à 1,5 % de chrome, et de préférence, de 0,9 % à 1,4 %, pour durcir la couche cémentée ou carbonitrurée, et en combinaison avec le manganèse et le molybdène, ajuster la trempabilité de façon à obtenir une courbe JOMINY satisfaisante ;
• de 0,08 % à 0,27 %, et de préférence, de 0,09 % à 0,26 % de molybdène, pour durcir la couche cémentée ou carbonitrurée, contribuer à augmenter la résistance à l'oxydation, et, en combinaison avec le manganèse et le chrome, ajuster la trempabilité de façon à obtenir une courbe JOMINY satisfaisante ; la limite inférieure correspond à la valeur minimale de la teneur en molybdène pour que cet élément ait un effet significatif ;
• de 0 % à 0,6 % de nickel pour améliorer la tenue au choc de la pièce.

La teneur en cuivre reste inférieure à 0,3 %, la teneur en soufre est comprise de préference entre 0,02 % et 0,1 %, et il est mieux qu'elle reste inférieure à 0,09 %, la teneur en aluminium est comprise entre 0,003 % et 0,06 %, et il est préférable qu'elle soit comprise entre 0,005 % et 0,05 %.

Comme indiqué ci dessus, l'acier peut contenir en outre un ou plusieurs éléments pris parmi le tellure, le sélénium, le plomb et le calcium.

Pour fabriquer une pièce suivant l'invention, on fabrique avec un acier conforme à l'invention une ébauche de pièce qu'on cémente ou qu'on carbonitrure à haute température et qu'on trempe à l'huile ou au gaz, l'huile pouvant être froide, tiède ou chaude. L'ébauche de pièce peut être fabriquée, par exemple, par forgeage et par usinage.

A titre d'exemple, on a réalisé des pièces avec six aciers selon l'invention, dont les compositions chimiques étaient : C Mn Si S P Ni Cr Mo Cu Al A 0,23 1,25 0,27 0,028 0,018 0,2 1,15 0,1 0,14 0,028 B 0,24 1,4 0,4 0,05 0,02 0,25 1,0 0,24 0,25 0,04 C 0,21 1,35 0,15 0,07 0,025 0,35 1,25 0,18 0,2 0,01 D 0,21 1,27 0,25 0,03 0,02 0,21 1,12 0,2 0,14 0,005 E 0,23 1,27 0,27 0,031 0,014 0,197 1,1 0,214 0,137 0,016 F 0,23 1,10 0,25 0,03 0,015 0,15 1,3 0,15 0,12 0,016

Les courbes JOMINY de ces aciers étaient telles que : (duretés en HRC) A B C D E F J₃ 47,8 49,4 46,5 45,7 46,8 47,9 J₇ 45,5 48,5 45,4 45 45,8 45,5 J₁₁ 41,6 45,6 41,8 45 43,1 41,6 J₁₅ 39,1 43,3 39,4 43,1 39,4 39 J₂₅ 34,3 39,2 34,9 37,8 34,2 34,1 |J_11m - J_3m x 14 /22 - J_25m x 8/22| 1,29 0,09 0,48 2,17 0,88 1,28 J_3m-J_15m 8,7 6,1 7,1 2,6 7,4 8,9 10 x (J_7m - J_11m) / (4 x (J_15m - J_25m)) 2,02 1,75 2,00 0 1,30 1,97 10 x (J_7m - J_15m) / (8 x (J_15m - J_25m)) 1,66 1,59 1,66 0,45 1,54 1,65

Après cémentation à 995 °C pendant 10 heures et trempe à l'huile tiède à 98 °C, les pièces ne présentaient pas de déformations nécessitant un usinage supplémentaire. De plus, le cémentation était caractérisée par une teneur en carbone de 0,94 % à 0,1 mm sous la surface.

A titre de comparaison, on a réalisé, dans les mêmes conditions, des pièces identiques, en acier du type 27MC5, 29MC5, 27MC5u, 27MC5r, 27CD4u, 30M5 et 20CD4 conformes à l'art antérieur. Les compositions de ces aciers étaient : C Mn Si S P Ni Cr Mo Cu Al 27MC5 0,23 1,18 0,24 0,033 0,015 0,13 1,08 0,04 0,16 0,024 29MC5 0,23 1,22 0,24 0,033 0,014 0,14 1,12 0,05 0,16 0,024 27MC5u 0,26 1,19 0,25 0,033 0,015 0,09 1,09 0,04 0,13 0,025 27MC5r 0,26 1,31 0,24 0,072 0,016 0,12 1,11 0,05 0,16 0,025 27CD4u 0,27 0,74 0,25 0,032 0,012 0,15 1,08 0,22 0,17 0,028 30M5 0,30 1,41 0,24 0,072 0,015 0,13 0,43 0,06 0,16 0,025 20CD4 0,20 0,82 0,23 0,029 0,013 0,14 1,05 0,27 0,17 0,029 et les courbes JOMINY étaient telles que : (duretés en HRC) 27MC5 29MC5 27MC5u 27MC5r 27CD4u 30M5 20CD4 J₃ 48,8 49,7 49 48,5 48,9 50 45,3 J₇ 45,8 47,3 45,6 45,9 46,1 40,3 40,8 J₁₁ 40,3 43,2 40,4 41 39,8 31,9 34,4 J₁₅ 36,6 39,6 36,8 37,6 35,6 28,4 31,2 J₂₅ 32,7 35,1 33 33,7 31,6 24,4 27,8 |J_11m-J_3mx14/22-J_25mx8/22| 2,6 1,19 2,7 2,1 2,8 8,8 4,53 J_3m - J_15m 12,2 10,1 12,2 10,9 9 21,6 14,1 10 x (J_7m - J_11m) / (4 x (J_15m - J_25m)) 3,52 2,27 3,42 3,14 3,94 5,25 8 10 x (J_7m - J_15m) / (8 x (J_15m - J_25m)) 5,9 2,13 2,89 2,66 3,28 3,72 3,87

Après cémentation, les pièces ont nécessité une reprise d'usinage. De plus, la teneur en carbone dans la couche cémentée, à 0,1 mm sous la surface, n'était que de 0,8 %. Ce dernier résultat, montre que, outre la plus faible sensibilité aux déformations, l'acier selon l'invention se cémente mieux que l'acier selon l'art antérieur.