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Procédé pour durcir des surfaces d'usure et produit obtenu.
La présente invention concerne un procédé perfectionné pour traiter thermiquement et durcir des surfaces d'usure ainsi que le produit obtenu par ce procédé. Le produit est ici typique- ment représenté par une cale en acier à haute teneur en carbone ou en alliage d'acier destinée à être utilisée comme élément de coince- ment entre des pistes de glissement concentriques d'un accouplement à roue libre, et plus particulièrement un accouplement soumis à des vitesses de rotation en roue libre très élevées. Mais quoiqu'une
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cale durcie fournisse un bon exemple des avantages de l'invention au point de vue du procédé et du produit, il est bien entendu que l'invention n'est pas du tout limitée à ce type de produit particu- lier.
Comme le procédé vise à produire un type chromisé de couche superficielle extérieure cémentée qui soit extrêmement dure et résis- tante à l'usure (notablement plus qu'une couche cémentée chromisée d'une façon classique), le procédé convient parfaitement pour produi- re des pistes de glissement à grande vitesse ou des plaques surfa- cées,des galets, des rampes d'un accouplement à roue libre du type à galets ainsi que pour d'autres usages impliquant des facteurs de pression et/ou de vitesse relative élevés.
En substance, l'invention procure un procédé suivant le- quel on soumet la cale ou autre objet à traiter en vue d'un traite- ment de durcissement superficiel par chromisation ultérieur de type connu, à un traitement thermique de nitruration ou de carbonitrura- tion, et le produit ultérieurement chromisé (après un rétablissement habituellement nécessaire de sa dureté affectée par le recuit subi pendant la chromisation) possède une dureté superficielle et une ré- sistance à l'usure bien supérieures à celles que l'on trouve dans des produits classiques traités par un processus connu de diffusion de chrome.
D'une manière plus'spécifique, une nitruration préparatoire dans une atmosphère chargée d'ammoniac ou une autre opération décou- lant d'un autre processus approprié connu quelconque pour produire des nitrures combiné avec une chromisation ultérieure a pour but et pour résultat de procurer sur l'objet une couche superficielle cémen- tée qui a tous les avantages de la couche de carbure de chrome clas- sique, par rapport à la couche obtenue par dépôt électrolytique ou par une autre opération de dépôt de pellicule ou de revêtement; en effet elle est intimement réunie en métal de base de l'objet, elle ne se décolle pas et ne sécaille pas, elle résiste à la corrosion et à l'abrasion, etc.
Cette couche cémentée diffère notablement du'ré-
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sultat d'une chromisation ordinaire en ce que la couche de chrome cémentée diffusée possède elle-même une strate ou une phase inter- médiaire de nitrure de chrome. Cette phase intermédiaire (au point de vue épaisseur) dans la couche autrement essentiellement chromi- sée, résultant du traitement thermique initial dans une atmosphère d'ammoniac, confère à l'objet un degré extrême de dureté superfi- cielle et de résistance à l'usure, ce qui rend le procédé très inté- ressant pour produire des cales de roué libre comme mentionné plus haut, pour certaines conditions de vitesse et de cnarge.
On envisage d'utiliser des processus de chromisation actuels pour cette phase du procédé de l'invention. L'un de ces procédés est une opération de diffusion ou d'infusion de chrome à partir de poudre, où l'on place des pièces de fer ou d'acier à trai- ter dans une poudre contenant une composition de halohydrate de chrome et de diluant réfractaire susceptible d'agir, lorsqu'elle est chauffée dans un four, non seulement pour produire la diffusion du chrome, mais également pour purger le four de l'air qu'il contient et le maintenir dépourvu d'air pendant tout le traitement de chromi- sation.
Le four est chauffé à une température élevée qui est fonc- tion de la durée du traitement et, lorsque la diffusion gazeuse a été poursuivie suffisamment longtemps pour produire une couche cé- mentée de l'épaisseur voulue, on laisse les parties se refroidir lentement. L'effet du recuit résultant exige habituellement un trai- tement thermique ultérieur pour redurcir la masse de la pièce mais ce traitement est sans effet sur la couche chromisée.
Dans un autre perfectionnement plus récent, on diffuse le chrome dans l'objet traité à partir d'une source, différente de la masse de poudre, comportant une concentration d'halogénure de chrome prédéterminée. L'effet métallurgique est essentiellement identique à celui obtenu dans le procédé partant d'une nasse de poudre. Une composition de chrome diffusable peut être également appliquée.sur l'objet.
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Comme indiqué, on peut utiliser l'un ou l'autre de ces processus de chromisation dans la seconde phase de chromisation du procédé perfectionné de l'invention, et on comprendra que d'autres processus de chromisation connus compatibles avec les buts de l'in- vention peuvent également être utilisés.
Un but spécifique de l'invention est dé procurer un pro- cédé dans lequel un a@ier ou un alliage d'acier ayant une teneur élevée en carbone supérieure à 0,4%,tel que le SAE-52100, un alliage de chrome, est la matière de la cale ou autre objet à traiter, car on a constaté qu'une teneur en carbone inférieure à cette concen- tration augmente la ductilité de la couche cémentée après chromi- sation plutôt que sa dureté.
Ce produit, après un nettoyage soigné, est traité à chaud pour introduire l'élément nitrure et, après cer- taines opérations accessoires (telles qu'un barattage pour éliminer les barbes, un meulage pour obtenir les formes voulues, et des opéra- tions analogues), il est chromisé pour produire une couche superfi- cielle cémentée de l'épaisseur désirée, par,exemple 0,003 pouce (0,076 mm). On le redurcit ensuite pour ramener sa masse ou son noyau à la dureté désirée à cet effet.
Il est à remarquer que tandis qu'une cale de la. composi- tion métallique donnée, chromisée sans traitement de nitruration ou de¯carbonitruration préalable présente une dureté superficielle de 1200 à 1300 VPN, une composition de cale semblable préalablement nitrurée ou carbonitrurée puis chromisée et redurcie sous les mêmes normes.-de chromisation'et de redurcissement, a une dureté superfi- cielle largement supérieure à 150U VPN. 'On attribue ce fait à la modification chrome-nitrure interne de la couche extérieure primaire chromisée au niveau de la phase intermédiaire mentionnée plus haut.
Ces buts et avantages de l'invention ainsi que d'autres encore ressortiront clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre d'exemple, avec référence au dessin annexé qui est une microphotographie d'une coupe, après décapage d'une cale en al-
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liage d'acier SAE 52100, grossie 2000X.
En général, le procédé de nitruration et de chromisation combiné de l'invention dont une forme d'exécution spécifique ou une adaptation sera décrite en détail ci-après, procède de la façon suivante:
A. On utilise par exemple une ébauche de cale extrudée en acier à haute teneur en carbone ou en alliage d'acier, on coupe l'ébauche aux 'longueurs désirées pour les cales que l'on nettoie parfaitement pour éliminer tous les agents de contamination super- ficiels, et on les chauffe dans un four à une température suffisan- te (200 à 250 F ou 93 à 121 C) pour éliminer toute l'humidité pré- sente.
B. On place les cales dans des paniers qui ne sont pas trop profonds et on les place dans un four de traitement thermique tel qu'un four du type Ipsen 400 ou 800, la température du four ayant.été convenablement stabilisée avant le chargement. On les traite ensuite à chaud sous des normes exigeant la présence d'ammo- niac brut ou d'autres moyens pour introduire de l'azote dans l'acier à une température située dans la gamme générale de 1535 à 1550 F , (835 à 843 C), pendant un temps d'imprégnation à une température dé- pendant des caractéristiques de dureté désirées de l'acier, par exemple 90 à 100 minutes.
C. On trempe les cales puis on poursuit le refroidisse- ment dans des conditions déterminées et on les étire pour éliminer les contraintes résiduelles.
D. On chromise ensuite les cales ou autres produits d'une manière classique par un processus de diffusion de chrome ou de chro- misation connu quelconque compatible avec les buts de la présente invention.
E. Un durcissement suit pour rétablir la dureté du noyau de l'objet, perdue par un recuit dans le traitement de chromisation qui, par lui-mêne, ne contribue bien entendu pas à la présente in- vention, sauf qu'il est réalisé après là nitruration, comme décrit.
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Certaines opérations ou manipulations sont intercalées entre les opérations qui précèdent et/ou après celles-ci, par exem- ple pour produire des cales ou d'autres objets spéciaux, mais n'agis- sent pas sur les particularités de traitement thermique positives de l'invention et comprennent par exemple un barattage pour éliminer les barbes où pour polir, un meulage pour produire des ençoches ou finir des objets (à des endroits autres qu'à une surface de tra- vail), une inspection et des opérations analogues. Ces opérations sont décrites dans les normes de production détaillées.
Le milieu générateur de nitrure dans lequel le traite- ment thermique préparatoire est exécuté peut également être une atmosphère lourde en carbone, sv.sceptible de produire une concentra- tion de nodules de carbure près d'une couche superficielle chromisée du produit fini. On considère habituellement cette façon de procé- der comme une technique de traitement thermique pauvre mais elle peut être souhaitable dans certains cas dans le procédé de nitrura- tion et de chromisation de l'invention parce que cette couche intéri- eure de carbure forme une croûte dure pour supporter d'une manière stable la couche chromisée modifiée par la phase de nitrure de chro- me intermédiaire mentionnée plus haut.
Dans le dessin, le chiffre 10 désigne d'une manière géné- rale la base, la masse ou le noyau de'l'acier SAE 52100 typique men- tionné plus haut. Avec une teneur,en carbone de 1,0 %, et après un traitement dans une atmosphère de four contenant une grande quantité de carbone, par exemple 1,5 % de carbone, le noyau 10 présente une multiplicité relative de particules ou de nodules de carbure de chrome et de fer complexes 12 en une concentration assez serrée près de la couche extérieure cémentée, chromisée, modifiée 14, décrite ci-après, qui s'étend dans le noyau d'acier. Ces nodules ont pour effet de procurer une croûte de support nodulaire intérieure pour la couche mentionnée en dernier lieu.
Mais, si une nitruration préli- minaire est exécutée dans une atmosphère contenant une quantité de carbone relativement neutre, l'apparition de ces particules de car- bure ferreuses est moins prononcée. Telle serait la situation que
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l'on renconterait si la teneur en carbone de l'atmosphère de trai- tement thermique abaissait en dessous de 1 % la teneur en carbone de l'acier en question et sans,qu'une teneur différentielle oblige le carbone à migrer vers la structure de l'acier.
La couche chromisée modifiée, désignée d'une manière géné- rale en 14, comprend une solution solide de carbure de chrome à base de fer 16, traversée en substance en son milieu par la couche complexe de nitrure de chrome intermédiaire 18 qui présente un as- pect contrasté plus sombre qui apparaît dans une microphotographie en couleurs de la coupe décapée. Le chiffre 20 désigne simple- ment une monture en matière plastique pour la coupe du dessin uti- lisée pour polir et décaper la surface. Quel que soit l'effet mé- canique de cette couche intermédiaire ou phasenitrurée, son effet sur la couche chromisée totale 14 est d'augmenter notablement sa dureté et sa résistance à l'usure en particulier lorsque le noyau intérieur est renforcé par le complexe de carbure de fer et de chrome 12.
Voici maintenant des normes typiques pour la production par traitement thermique de cales en acier SAE 52100 comprenant des opérations mécaniques et d'inspection éventuelles qui ne sont pas nécessairement exigées dans tous les autres types de production : a. On coupe les ébauches de cale à longueur, on les net- toie pour éliminer les agents de contamination superficiels et on les chauffe à 200 - 250 F (93 - 121 C) pour éliminer toute l'humi- dité. b. On les place dans un panier ouvert (le type Ipsen étant recommandé) dont la profondeur ne dépasse pas en substance 1,5 pou- ce (3,8 cm) pour un temps d'imprégnation suffisant et une trempe ul- térieure. On les place dans un four de traitement thermique (Ipsen 400 ou 800) après avoir conditionné le foar au point de vue température et atmosphère. c.
Si le four a travaillé à une température élevée précé- demment, sa température doit être abaissée pendant une demi-heure et
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stabilisée avant de charger les cales. La température du traitement thermique doit être maintenue au-dessus de la température critique inférieure par exemple 1535 à 1550 F (835 à 843 C). Le point de rosée de l'atmosphère doit être maintenu à 10 ¯ 1 point. L'atmosphè- re comprend un gaz endothermique (200-225 pieds cube(15,6-6,3 m3) par heure), un gaz naturel brut (40 pieds cube (11 m3) par heure ou plus) et de l'ammoniac brut (9 pieds cube (0,25 m3) par heure ¯ 1 pied cube) (0,028 m3). d.
On maintient les cales à température pendant 90 à 100 minutes et on les trempe dans de l'huile (Type Park AAA) à 90 F (32 C) minimum et 130 F (54 C) maximum, et les refroidit lentement dans un courent d'air en circulation. e. On étire les cales, après les avoir maintenues à tem- pérature ambiante pendant 3 à 4 heures, à 325 - 350 F (163 - 177 C) pour les normaliser (pour des charges inférieures à 100 livres (45,4 kg) un minimum de 2 heures). f. On Inspecte les cales pour vérifier leur dureté, on les baratte pour éliminer les barbes, on les meule pour les entail-. ler, on les baratte pour éliminer les barbes pour le traitement de chromisation et/ou on inspecte le fini de leur surface. g.
On chromise les cales jusqu'à obtenir une couche cé- mentée de 0,0003 pouce (0,0076 mm).
.h. On inspecte les cales pour vérifier l'épaisseur de la ,couche chromisée modifiée par un nitrure. i. On durcit les cales pour corriger'le recuit induit par la chromisation. j. On inspecte les cales pour vérifier l'épaisseur de la couche chromisée modifiée ainsi que sa dureté, on les baratte et on inspecte le fini de leur surface, leur dimension finale et leur struc- ture magnaflux...
En ce qui concerne l'état du four au début du traitement thermique de nitruration, il ne doit pas être purgé d'une atmosphère lourde en carbone à ce moment et il est en fait souhaitable dans
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certains cas de travailler immédiatement après une opération de car- buration aans le four, ce qui diminue le temps de séjour requis dans le four dans certaines conditions. Si les cales sont traitées dans une atmosphère relativement neutre provenant d'une opération pré- cédente, le temps de séjour dans le four doit être augmenté pour assurer un traitement approprié.
Un point de rosée de +25 ou moins maintient une teneur en carbone de 1,00% dans l'atmosphère du tour et, comme indiqué en (c) plus haut, il est souhaitable dans un traitement de production industriel de maintenir le point de rosée à environ 10. Il faut vérifier le point de rosée avant de placer la pièce à traiter dans le four et avant de l'en retirer. Il ne faut pas dépasser notablement 100 livres (45,4 kg) de cales dans un seul panier.
L'huile de trempe doit être maintenue dans une gamme de températures de 90 à 130 F (32 à 54 C) avant la trempe et'un contr8- le approprié doit être maintenu pendant la trompe pour ne pas dépas- ser 150 F (66 C). Le refroidissement à l'air ne doit commencer que lorsque la masse complète atteint une température d'huile stabilisée inférieure à 150 F (66 C) et le refroidissement dans l'air doit se poursuivre jusqu'à 75 F (24 C).
Lorsque la température ambiante est atteinte, les cales traitées à chaud pour la nitruration doivent avoir une dureté Rockwell de 93 - 94 sur l'échelle 15N.
Le point (d) concerne le temps de maintien à température pour un acier durci. Mais, si on désire produire un acier recuit, ce temps peut être diminué dans les mêmes conditions et cette durée est également acceptable pour produire des cales d'acier durci, pourvu que le four soit dans un état de cémentation par 'le carbone provenant d'une charge précédente juste avant de traiter la charge . suivante.
En ce qui concerne le traitement thermique de redurcisse- ment (i) après chromisation, ce traitement peut être erfectué sous
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n'importe quelle norme appropriée, mais en général, une norme impli- quant des conditions semblables à celles du traitement thermique de nitruration ou de carbonitruration. C'est-à-dire que les cales sont nettoyées pour éliminer tous les agents de contamination superfi- ciels étrangers, puis cnauffées pour éliminer l'humidité, traitées thermiquement en charges pondérales et à des profondeurs limitées , de faqon analogue, mais dans un .four débarrassé de tout carbone lourd ou atmosphère d'ammoniac.
Voici des conditions typiques de tempé- rature et d'atmosphère: Point de rosée 35 à 40, générateur endother- mique-35 5 points (pas d'ammoniac) à 1525 à 1550 F (835 à 843?C) pendant un minimum de 60 minutes, les cales étant également trem- pées à l'huile, refroidies à l'air et étirées à 300-3200F (149-160 C).
La cale finalement et complètement traitée présente alors les propriétés physiques suivantes :
Dureté du noyau - 60 minimum Rockwell "C"
90 minimum Rockwell "15N";
Dureté superficielle (mesurée sur une surface plane)-
Dureté Knoop 1350 avec une charge de 100 g;
Lors d'un examen microscopique, une phase intermédiaire
18 d'une épaisseur approximativement égale à 20% de l'é- paisseur totale de la couche chromisée modifiée 14, et des carbures nodulaires compl.exes présents immédiatement en dessoùs de la couche cémentée 14 et pénétrant dans l'a- cier du noyau.
La couche cémentée modifiée par unnitrure 14 est, ce qui est caractéristique d'une couche de chrome diffusée, réunie intime- ment à l'acier de base, ce qui l'empêche de se décoller, de s'écail- ler ou de se détacher comme c'est le cas avec des pellicules dé- posées électrolytiquement et des pellicules analogues. Cette couche cémentée est extrêmement dure et résistante à l'usure aux fins de la présente invention, mais elle peut, si on traite un acier contenant moins de 0,4% de carbone, avoir un degré de ductilité supérieur qui la rend appropriée à d'autres applications. Elle résiste à la cor- rosion et à l'abrasion. En ce qui concerne le maintien d'une stabi- lité fdimentsionn lle, le procédé a le même avantage que précédemment
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et des variantes peuvent facilement en être déduites.
La nature de la concentration de croûte nodulaire en 12 semble être celle d'un complexe de carbure de chrome et de fer qui peut provenir des éléments ou des constituants de l'alliage parti- culier lui-même ou entièrement ou dans une moindre mesure de la couche de chrome 14.
Le traitement thermique initial dans une atmosphère com- prenant de l'azote ou dans une atmosphère de nitruration et de car- buration est légèrement plus poussé qu'un traitement thermique de carburation classique, de sorte que le coût de l'opération de ni- truration et de chromisation combinée est très proche du coût total .du traitement thermique d'un produit dépourvu de la phase de nitru- ration préparatoire. Sous d'autres rapports, le procédé et le pro- duit perfectionnés possèdent tous les avantages qui peuvent être attribués à un simple processus de chromisation, plus les avantages spéciaux et remarquables concernant la dureté qui proviennent de la phase de nitrure de chrome intermédiaire de la couche de carbure de chrome modifiée.
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Process for hardening wear surfaces and product obtained.
The present invention relates to an improved process for heat treating and hardening wear surfaces and the product obtained by this process. The product here is typically represented by a high carbon steel or alloy steel shim for use as a wedging element between concentric sliding tracks of a freewheel coupling, and more particularly a coupling subjected to very high freewheel rotational speeds. But although a
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cured wedge provides a good example of the process and product advantages of the invention, it is understood that the invention is not at all limited to this particular type of product.
As the process aims to produce a chrome-plated type of case-hardened outer surface layer which is extremely hard and wear-resistant (significantly more than a chrome-plated case-hardened layer in a conventional manner), the process is ideally suited to produce high speed sliding tracks or faceplates, rollers, rollers type overrunning clutch ramps as well as for other uses involving high pressure and / or relative speed factors.
In essence, the invention provides a process according to which the wedge or other object to be treated with a view to a surface hardening treatment by subsequent chromization of known type is subjected to a heat treatment of nitriding or carbonitriding. tion, and the product subsequently chromized (after a usually necessary reestablishment of its hardness affected by the annealing undergone during chromization) has a surface hardness and a wear resistance much superior to those found in products conventional treated by a known chromium diffusion process.
More specifically, preparatory nitriding in an ammonia-laden atmosphere or other operation arising from any other suitable known process for producing nitrides combined with subsequent chromization has the object and result of providing on the object a cemented surface layer which has all the advantages of the conventional chromium carbide layer, over the layer obtained by electrolytic deposition or by other film deposition or coating operation; in fact, it is intimately united in the base metal of the object, it does not come off or chip, it is resistant to corrosion and abrasion, etc.
This hardened layer differs notably from the
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The result of ordinary chromization is that the diffused hardened chromium layer itself has a chromium nitride layer or intermediate phase. This intermediate phase (in terms of thickness) in the otherwise predominantly chromized layer, resulting from the initial heat treatment in an ammonia atmosphere, gives the article an extreme degree of surface hardness and resistance to water. wear, which makes the process very useful for producing freewheel blocks as mentioned above, for certain conditions of speed and load.
It is contemplated to use current chromization processes for this phase of the process of the invention. One of these processes is an operation of diffusing or infusing chromium from powder, in which pieces of iron or steel to be treated are placed in a powder containing a composition of chromium hydrohalide and refractory diluent capable of acting, when heated in a furnace, not only to produce the diffusion of chromium, but also to purge the furnace of the air it contains and keep it air-free throughout the chromium treatment.
The oven is heated to an elevated temperature which is a function of the duration of the treatment and, when the gas diffusion has been continued long enough to produce a cemented layer of the desired thickness, the parts are allowed to cool slowly. The effect of the resulting annealing usually requires a subsequent heat treatment to re-harden the mass of the part, but this treatment has no effect on the chrome layer.
In another more recent improvement, the chromium is diffused into the object treated from a source, different from the mass of powder, comprising a predetermined concentration of chromium halide. The metallurgical effect is essentially identical to that obtained in the process starting with a powder trap. A diffusable chrome composition can also be applied to the object.
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As indicated, either of these chromization processes can be used in the second chromization phase of the improved process of the invention, and it will be understood that other known chromization processes compatible with the purposes of the invention. invention can also be used.
A specific object of the invention is to provide a process in which a steel or steel alloy having a high carbon content of greater than 0.4%, such as SAE-52100, a chromium alloy. , is the material of the shim or other object to be treated, since it has been found that a carbon content lower than this concentration increases the ductility of the case-hardened layer after chromizing rather than its hardness.
This product, after careful cleaning, is heat treated to introduce the nitride element and, after certain ancillary operations (such as churning to remove barbs, grinding to obtain the desired shapes, and operations. analogues), it is chromized to produce a case hardened surface layer of the desired thickness, eg 0.003 inch (0.076 mm). It is then re-hardened to bring its mass or its core to the desired hardness for this purpose.
It should be noted that while a hold of the. given metallic composition, chromized without prior nitriding or carbonitriding treatment has a surface hardness of 1200 to 1300 NPV, a similar shim composition previously nitrided or carbonitrided then chromized and redhardened under the same standards. hardening, has a surface hardness well over 150U VPN. This fact is attributed to the internal chromium-nitride modification of the chromium-plated primary outer layer at the intermediate phase mentioned above.
These objects and advantages of the invention as well as others will emerge clearly from the detailed description given below by way of example, with reference to the appended drawing which is a photomicrograph of a section, after stripping of a wedge. in al-
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SAE 52100 steel binding, 2000X magnification.
In general, the combined nitriding and chromizing process of the invention, a specific embodiment or an adaptation of which will be described in detail below, proceeds as follows:
A. For example, an extruded high carbon steel or alloy steel shim blank is used, the blank is cut to desired lengths for the shims and cleaned thoroughly to remove all contaminants. superficial, and heated in an oven to a sufficient temperature (200 to 250 F or 93 to 121 C) to remove any moisture present.
B. The wedges are placed in baskets which are not too deep and placed in a heat treatment furnace such as an Ipsen 400 or 800 type furnace, the furnace temperature having been suitably stabilized before loading. They are then heat treated under standards requiring the presence of crude ammonia or other means to introduce nitrogen into the steel at a temperature in the general range of 1535 to 1550 F, (835 to 843 C), for an impregnation time at a temperature dependent on the desired hardness characteristics of the steel, for example 90 to 100 minutes.
C. The shims are quenched, then cooling is continued under specified conditions and stretched to remove residual stresses.
D. The shims or other products are then chromized in a conventional manner by any known chromium diffusion or chromiumization process compatible with the objects of the present invention.
E. Hardening follows to restore the hardness of the core of the object lost by annealing in the chromizing treatment which by itself does not of course contribute to the present invention except that it is carried out after nitriding, as described.
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Certain operations or manipulations are interposed between the operations preceding and / or after these, for example to produce shims or other special objects, but do not act on the positive heat treatment peculiarities of the 'invention and include, for example, churning to remove barbs or polish, grinding to cut or finish objects (at places other than a work surface), inspection and the like. These operations are described in the detailed production standards.
The nitride generating medium in which the preparatory heat treatment is carried out can also be a carbon heavy atmosphere, likely to produce a concentration of carbide nodules near a chrome surface layer of the finished product. This procedure is usually regarded as a lean heat treatment technique, but it may be desirable in some instances in the nitriding and chromizing process of the invention because this inner layer of carbide crusts. hard to stably support the chromium layer modified by the intermediate chromium nitride phase mentioned above.
In the drawing, the numeral 10 denotes generally the base, mass or core of the typical SAE 52100 steel mentioned above. With a carbon content of 1.0%, and after treatment in a furnace atmosphere containing a large amount of carbon, for example 1.5% carbon, the core 10 exhibits a relative multiplicity of particles or nodules of. Complex chromium iron carbide 12 in fairly close concentration near the cemented, chromed, modified outer layer 14, described below, which extends into the steel core. These nodules have the effect of providing an interior nodular support crust for the last mentioned layer.
But, if a preliminary nitriding is carried out in an atmosphere containing a relatively neutral amount of carbon, the appearance of these ferrous carbon particles is less pronounced. Such would be the situation that
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one would meet if the carbon content of the heat treatment atmosphere lowered the carbon content of the steel in question below 1% and without a differential content forcing the carbon to migrate towards the structure steel.
The modified chromium layer, generally designated as 14, comprises a solid solution of iron-based chromium carbide 16, substantially crossed in its middle by the complex layer of intermediate chromium nitride 18 which exhibits an as - darker contrasting pect that appears in a color photomicrograph of the stripped cut. The numeral 20 simply denotes a plastic frame for cutting the pattern used to polish and etch the surface. Whatever the mechanical effect of this intermediate or phasenitrided layer, its effect on the total chromized layer 14 is to significantly increase its hardness and its resistance to wear, in particular when the inner core is reinforced by the complex of iron chromium carbide 12.
Here are now typical standards for heat treatment production of SAE 52100 steel shims including possible mechanical and inspection operations that are not necessarily required in all other types of production: a. The shim blanks are cut to length, cleaned to remove surface contaminants, and heated to 200 - 250 F (93 - 121 C) to remove all moisture. b. They are placed in an open basket (the Ipsen type being recommended) whose depth does not substantially exceed 1.5 inches (3.8 cm) for sufficient impregnation time and subsequent quenching. They are placed in a heat treatment oven (Ipsen 400 or 800) after conditioning the foar from the point of view of temperature and atmosphere. vs.
If the oven has been working at a high temperature previously, its temperature must be lowered for half an hour and
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stabilized before loading the holds. The heat treatment temperature should be maintained above the lower critical temperature for example 1535 to 1550 F (835 to 843 C). The dew point of the atmosphere should be maintained at 10 ¯ 1 point. The atmosphere comprises endothermic gas (200-225 cubic feet (15.6-6.3 m3) per hour), raw natural gas (40 cubic feet (11 m3) per hour or more) and raw ammonia (9 cubic feet (0.25 m3) per hour ¯ 1 cubic foot) (0.028 m3). d.
The holds are kept at temperature for 90 to 100 minutes and soaked in oil (Type Park AAA) at 90 F (32 C) minimum and 130 F (54 C) maximum, and cooled slowly in a d circulating air. e. The shims are stretched, after having been kept at room temperature for 3 to 4 hours, at 325 - 350 F (163 - 177 C) to normalize them (for loads less than 100 pounds (45.4 kg) a minimum. 2 hours). f. We inspect the shims to check their hardness, we churn them to remove barbs, we grind them for notches. First, they are churned to remove barbs for the chroming treatment and / or the surface finish is inspected. g.
The shims were chromized to a cemented layer of 0.0003 inch (0.0076 mm).
.h. The shims are inspected to verify the thickness of the nitride modified chrome layer. i. The shims are hardened to correct the annealing induced by chromization. j. The shims are inspected for the thickness of the modified chrome layer as well as its hardness, they are churned and the surface finish, their final dimension and their magnaflux structure are inspected ...
As to the state of the furnace at the start of the nitriding heat treatment, it should not be purged of carbon heavy atmosphere at this time and it is in fact desirable in
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some cases of working immediately after a carburizing operation in the furnace, which decreases the residence time required in the furnace under certain conditions. If the shims are treated in a relatively neutral atmosphere from a previous operation, the residence time in the furnace must be increased to ensure proper treatment.
A dew point of +25 or less maintains a carbon content of 1.00% in the lathe atmosphere and, as noted in (c) above, it is desirable in industrial production processing to maintain the dew point. dew at around 10. The dew point should be checked before placing the workpiece in the oven and before removing it. Not significantly more than 100 pounds (45.4 kg) of chocks in a single basket.
Quench oil should be maintained in a temperature range of 90-130 F (32-54 C) prior to quenching and proper control should be maintained during quenching so as not to exceed 150 F (66 VS). Air cooling should not begin until the complete mass reaches a stabilized oil temperature below 150 F (66 C) and cooling in air should continue to 75 F (24 C).
When room temperature is reached, shims heat treated for nitriding should have a Rockwell hardness of 93 - 94 on the 15N scale.
Point (d) concerns the temperature holding time for hardened steel. But, if it is desired to produce annealed steel, this time can be shortened under the same conditions and this time is also acceptable for producing hardened steel shims, provided the furnace is in a state of carburizing by the carbon coming from it. 'a previous load just before processing the load. next.
As regards the redhardening heat treatment (i) after chromization, this treatment can be carried out under
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any suitable standard, but in general one involving conditions similar to those of the nitriding or carbonitriding heat treatment. That is, the holds are cleaned to remove any extraneous surface contaminants, then puffed to remove moisture, heat-treated in weight loads and to limited depths, in a similar fashion, but in a similar manner. . oven free of any heavy carbon or ammonia atmosphere.
Typical temperature and atmospheric conditions are as follows: Dew point 35 to 40, endothermic generator -35 5 points (no ammonia) at 1525 to 1550 F (835 to 843? C) for a minimum of 60 minutes, with the holds also oil soaked, air cooled and stretched to 300-3200F (149-160C).
The wedge finally and completely treated then has the following physical properties:
Core hardness - 60 minimum Rockwell "C"
90 minimum Rockwell "15N";
Surface hardness (measured on a flat surface) -
Knoop hardness 1350 with a load of 100 g;
During a microscopic examination, an intermediate phase
18 of a thickness approximately equal to 20% of the total thickness of the modified chrome layer 14, and complete nodular carbides present immediately below the cemented layer 14 and penetrating into the steel of the core .
The carburized nitride modified layer 14 is, typically a diffused chromium layer, intimately joined to the base steel, which prevents it from peeling, chipping or peeling. detach as is the case with electrolytically deposited films and similar films. This case-hardened layer is extremely hard and wear-resistant for the purposes of the present invention, but it can, if processing a steel containing less than 0.4% carbon, have a higher degree of ductility which makes it suitable for use. 'other applications. It resists corrosion and abrasion. With regard to maintaining solid stability, the method has the same advantage as before.
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and variations can easily be deduced from it.
The nature of the nodular crust 12 concentration appears to be that of a complex of chromium iron carbide which may arise from the elements or constituents of the particular alloy itself or wholly or to a lesser extent. the chrome layer 14.
The initial heat treatment in an atmosphere comprising nitrogen or in an atmosphere of nitriding and carburizing is slightly more extensive than a conventional heat treatment of carburizing, so that the cost of the ni- Combined truration and chromization is very close to the total cost of heat treating a product devoid of the preparatory nitrating phase. In other respects, the improved process and product possesses all the advantages which can be attributed to a simple chromizing process, plus the special and remarkable advantages in hardness which arise from the intermediate chromium nitride phase of the process. modified chromium carbide layer.