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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.