CA1215901A

CA1215901A - Procede de durcissement superficiel de pieces metalliques

Info

Publication number: CA1215901A
Application number: CA000424129A
Authority: CA
Inventors: Michel Madsac; Thierry Hiron
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1982-03-23
Filing date: 1983-03-22
Publication date: 1986-12-30
Also published as: ATE29154T1; ES8402361A1; EP0089885A2; EP0089885A3; JPS58174573A; ES520824A0; AU554394B2; FR2524006A1; DE3373197D1; AU1253583A; EP0089885B1; FR2524006B1; ZA831884B; US4531984A

Abstract

L'invention concerne un procédé de durcissement superficiel de pièces métalliques par nitruration ou nitrocarburation. Selon le procédé, on place les pièces à traiter dans un four et on les maintient, à une température comprise entre 490.degree.C et 750.degree.C, dans une atmosphère formée par introduction dans ledit four d'un mélange gazeux comprenant notamment de l'ammoniac et un composé accélérateur de la dissociation catalytique de l'ammoniac au contact desdites pièces constitué par un gaz oxydant. Le gaz oxydant est du protoxyde d'azote et le mélange gazeux contient environ 0,1 % à 10 % en volume dudit protoxyde d'azote. L'invention s'applique au durcissement superficiel de pièces en acier. En utilisant le procédé selon l'invention, la couche blanche formée présente une épaisseur constante sur toute la surface de la pièce à traiter; elle n'est en général constituée que la phase .epsilon. et est donc plus résistante. D'autre part, la zone poreuse de la couche blanche est extrêmement mince et peut même être inexistante dans le cas de traitement de faible durée. Enfin, le temps d'incubation est plus court; ce qui permet de 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.

Description

5~

L'invention concerne un proc~dé de durcissement superficiel de pièces métalliques, notamment de pièces en acier, par nitruration ou nitrocarburatio~.
Comme on le sait, les traitQments de nitruration ou de nitrocarburation en phase gazeuse sont destin~s a am~liorer la tenue à la fatigue ek au grippage et a augmenter la rési~-tance à l'usure et ~ la corrosion des aciers.
Ces traitements consistent à maintenir les pieces en acier danq une atmosphère contenant 50% à 10~/o d'ammoniac gazeux à une température de 490C à 750Co Les pieces ainsi traitées sont ensuite refroidies par trempe en phase gazeuse ou liquideO Aux températures de traitement utilisées, l'ammo-niac 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 ~ombinaison" 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 ~urface de la pièce, est constituée d'un mélange de nitrures (Fe2N -Fe3N) et de nitrures ~ '(Fe4N);
- la couche de diffusion, sous-jacente à ~a c~uche blanche, est moins dure et plus épaisse que cette dernière;
dans ce~te couche de diffusion, l'azote est en solution solide d'insertion et forme des nitrures par combinaison avec certains des ~léments constituant l'acier.
Les atmosphères de nitruration utilisée~ à l'heure actuelle sont constituées, 50it d'ammoniac gazeux, soit .... . .. .. . , . ~

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d'ammoniac gazeux dilué dans de 1'azote, soit d'ammoniac gaze~x, le cas échéant dilué dans de l'azote, en mélange avec url com-posé susceptible d'augmenter le degr~ de dissociation de l'ammoniac au contact de la piece et donc la cinétique de nitruration, ce composé est, par exemplel un compo~ oxydank tel que l'oxygène, le gaz carbonique, la vapeur d'eau, ou bien un hydrocarbure. Selon certains procédés, on utilise un mélange d'ammoniac gazeux et d'un gaz porteur de carbone, par exemple un gaz endothermique (C0-H2-C02 - H20-CH4-~2) ou un hydrocarbure, il y a alors nitrocarburation avec formation de carbonitrures . Dans tous les cas, selon les procédés utilisés jusqu'à présent, il est pr~férable d'avoir une concentration initiale d'ammoniac dans 1'atmosphère utilisée d'au moins 50%~
Parmi les procédés de nitruration utilisant de 1'ammoniac en mélange avec un composé oxydant, mis en oeuvre jusqu'à présent, on peut citer plus particulièrement le procédé décrit dan~ le brevet anglais ~o 2.049.740. Ce procédé consiste à maintenir des pièces en acier, ~ une tempé-rature de 550C ~ 600C, dans une atmosphère gazeuse consti-tuée d'au moins 5~/O en volume d'ammoniac, de gaz carbonique et d'azote (par exemple 7~/O de NH3, 7% de C02 et 2~/o de N2), pendant une durée de 12 à 20 heures.
Tous ces procédés permettent d'obtenir un durci~qse-ment superficiel des pièces traitées mais présentent toutefois certains inconvénients relatifs à la couche blanche. En effet:
- la couche blanche se dévaloppe de façon h~térogène et pr~ente donc une ~paisseur inégale sur toute la surface de la pièce, - la couche blanche est fragile et peu adhérente du 59 l;J~

fait qu'elle est constituée d'un mélange intime des deux pièces ~(Fe2~ ~ Fe3N) et ~ ' (Fe4~)7 - la couche blanche se pré~ente ~ou~ la forme d I un8 zone compacte recouverte d'une æone poreuse, ce qui dan~ cer~
tains cas peut présenter quel~ues inconv~nient~. Or, a partir d'une certaine durée du traitement, la zone compacte atteint une épais3eur maximale limite (20 ~m) et, seule, la zone poreu~e se développe;
- le temp~ d'incubation nécessaire à la nucléation de~ nitrures est assez long et la formation de la couche blanche exige donc un certain temps.
L'invention a pour objet un procédé de durcissement superficiel de pièces métalliques, notamment de pièces en acier, par nitruration ou nitrocarburation qui permet de remédier aux inconv~nients rappelés ci-dessus.
Le procédé conforme a 1'invention consiste à placer lesdites pièces dans un four et à les maintenir, à une tempé-rature comprise entre 490C et 750~C, dans une atmosphère formée par introduction dans ledit four d'un mélange gazeux comprenant notamment de 1'ammoniac et un composé accélérateur de la dis~ociation catalytique de l'ammoniac au contact deq-dites piece5 constitué par un gaz oxydantu Ce procédé se caractéri~e en ce que ledit gaz oxydant est du protoxyde d'azote, ledit mélange gazeux contenant environ O,1% à l~/o en volume dudit protoxyde d'azote.
Selon une caractéristique de l'invention, ledit mélange gazeux peut contenir environ l~/o à 99% en volume d'ammoniac et au plu~ 90/0 en volume d'azote.;
Selon une variante de 1'invention, ledit mélange gazeux contient en outre de l'hydrogène dan~ une concentration d'au plu~ 25% en volumeO

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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, dan~ une concentration d'au plus 25%
en volume, soit par du méthanol dans une concentration d'au plus 5~/O en volume, soit par un mélange de ces deux composés.
A partir de 400C, le protoxyde d'azote N20 se décompose catalytiquement facilement, libérant ainsi de l'oxygène sous forme atomique~ Cet oxygène actif favorise la diqsociation de l'ammoniac au contact de la pièce à traiter et permet donc une nitruration rapide et efficace de ladite pièce. Ainsi, ~'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 amé-liorés par rapport à l'utilisation de composés oxydants classi~ues tel que 2~ C2 ou H20. En effet:
- la couche blanche ~ormée présente une épaisseur constante ~ur toute la surface.de la pièce à traiter, - la couche blanche n'est en générale constituée que de la phase ~ (Fe2N - Fe3N), et est donc plus résistante. Si, parfois, pour certaines dur~es de traitement et teneurs en ammoniac de l'atmosphère utilisée, la phase ~' ~Fe~N) apparaît, cette dernière ne se mélange pas à la phase ~ mais se présente comme une zone mince prise en sandwich entre la zone ~ et l-a couche de diffusion: dans ces conditions, la présence de la phase ~' n'affecte pas la résistance de la couche nitrurée;
- la zone poreuse de la couche blanche est extrême-ment mince, et peut même être inexistante dans le cas de traitements de faible dur~e;

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- du fait que les cinétiques de réaction sont augmen-tées 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 par~ de pouvoir diminuer la concentration initiale du mélange gazeux en ammo-niac 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.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront dans la description qui suit a ~ exemples de réali-sation, donnés à titre non limitatif, du procédé de l'invention, ou se référant à l'occasion aux dessins dans lequel:
- la figure unique est une représentation schématique d'un four du type "puits" que l'on peut utiliser dans la r~ali-sation du procédé selon l'invention.
Dans tous les exemples décrits ci-après, le traite-ment est effectué dans un four du type "puits" représenté
schématiquement sur la figure jointe. Ce four 1 e~t en maté-riau 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 ~ l'intérieur du four dans un panier 7 qui repose sur une grille 8 supportée par un socle 9 plac~ 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 ~éparément, par un ou des conduits 12, munis d'une ou de vannes 13, traver~ant le couvercle 5.
Ce m~lange gazeux e~t évacué du four, également en continu, par _ ~ _, _ _ _ _ , .. , , _, . . . . . .

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le conduit 14. Les pièces traitées sont ensuite refroidies par trempe dans t~ bain d'huile (non représenté sur la figure).
Le même traltement a ~galement été e~ectu~ dan~ un four du type "batch" avec ~t bain d'huile incorpor~, comporkan~
un sa~ entxée-sortie d'amenée des pièces dans l'enceinte de traitement, sas mtmi d'un bac de trempe ~a l'huile Bien entendu, on effectue une purge pr~alable du four par de l'a20te gazeux avant chaque changement d'atmosph~re.

~ E~e 1 On traite, d'une part des pièces en acier de nuance 35CD4, et d'autre par~, des pl~ces en acier de nitru-ration de nuance 40CAD612, avec un mélange gazeux constitué de 40 % NH3, 3 % N20 et 57 % N2 ~ une température de 570C.
De façon plus précise, on chauffe préalablement le four 1 ~ une température de 570C. On amène alors le melange gazeux (40 % NH3 - 3 % N20 - 57 % N2), provenant du m~langeur 11 dans le four 1 et on l'y fait circuler t~ 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 gazet~ NH3 - N20 - N2 dans le four à un débit de O,25 m3/heure~
I,e taux de renouvellement de 1'atmosphère du four est de 5 fois par heure.
On effectue ce traitement:
- d'une part, sur des pièces d'acier 35CD4, respec-tivement pendant deux heures, trois heures et quatre heures, - d'aukre part, sur des pièces d'acider 40 CAD612, respectivement pendant deux heures, trois heures et quatre heure~
Apr~s trempe des piece ain~i traitées dan~ un bain d'huile, on effectue le~ me~ure~ d'épaisseur et de dureté des couches nitrur~es~ Le~ r~sultats obtenus sont donné~ dan~ le tableau ci-apr~s:

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Exemple 2 On traite des pièces en acier de ~uance 35CD4 avec un mélange gazeux con~titué de 40 % N~I3, ~/O N20, 10 % 1I2 et 37 %
~2~ respectivement pendant trois heures et quatre heures, d~ns des conditions idenkiques ~ celles de l'exemple 1 (meme tempé-rature, m8me débit du mélange gazeux, même taux de renouvelle-ment de l'atmosphère du ~our3.
Après trempe des pièces ainsi traitées dans un bain d'huile, on effectue les mesures d'épaisseur et de dureté des couches nitrurées~ Le~ résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-après:

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y~e 3 On traite des pièces en acier de nuance 35CD4 avec un m~lange gazeux constitué de 40 % N~I3, 3 % N20, 5 % C3H8 et 52 ~/O
N2~ pendant quatre heures, dans des conditions identiques a celle~ de l'exemple 1 (température, débik, taux de renouvelle-ment).
Après trempe des pi~ces ainsi traitées dans un bain d'huile, on effectue les mesures d'~pais~eur et de dureté des couches nitrocarburées~ Les résultats obtenus sont donn~s dans le tableau ci-apres:

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Exem~e 4 On traite, d'une park des pièce~ en acier de nuanc0 35CD4~ d'autre park., des pi~ces en acier de nuance 40CAD612, avec un mélange gazeux constitué de 4~/0 NH3, 3 % ~2~ 11 %
CH30H et 46 % N2, pendant deux heures et demie, dan~ des condi-tions iden tiques à celle3 de l'exemple 1 (te~érature, debik, taux de renouvellement)O
Après trempe des pièces ainsi traitées dans un bain d'huile, on effectue les mesures d'épaisseur et de dureté des couches nitrocarbur~es. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-apr~s:

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~ titre de comparaison, on a effectu8 troi3 traitements de nitruration et de nitrocarburakion, ~ l'aide d'a~no~p~eres gazeuse~ classi.que~ dans lesquelle~ le compo~é oxyda~ est du gaz carbonique, sur des pieces en acier identiques et dan~ le5 rnême~ conditions que celles des exemples de l'invention décrits ci dessus (température: 570C , débit : 0,25 m3/heure , taux de renouvellement de l'atmosphère du four : 5 ~ois par heure).
Traitement I ~comparaison nitruration) Un premier traitement a été effectué pendant trois heures avec un m~lange gazeux constitué de 40 % ~H3, 10% C02 et 50 % ~2~ 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 l~s résultats suivants:

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Traitement II (comparaison nitrocarburation) Un deuxième traitement a été effectué pendank quatre heures avec un m~lange gazeux consti~ué de 50 % NH3, 5 % C02, 15 % CH4 et 30 % N2 sur des pi~ces d'acier 35CD4. L~s me~ures d'épaisseur et de dureté des couches nitrur~e~ des pi~ces ainsi traitées ~nt donné les résultat suivants:

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Traitement III (comparaison nitrocarburation) Un troisi~me traitement a été effectué pendant trois heures avec un m~lange gazeux constitué de 40 % N~I3, 24 /~ H2, 12 % CO, 24 % N2, 1,7 % C02 et 2 % H2O, d'une part ~ur de~
pi~ces d'acier 35CD4, d'autre part sur des pieces d'acier 40CAD612. Les mesures d'épaisseur et de dureté des couche~
nitrur~es de~ pi~ces ainsi traitées ont donné les résultat~
suivants:

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Comme on le voit, grâce au procédé de 1'invention, on obtient des couches nitrurées plus ~paisses et une couche blanche beaucoup plu3 duxe que par les kxaitemenks classiques.

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Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de durcissement superficiel de pièces métalliques, notamment 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'ammoniac et un composé
accélérateur de la dissociation catalytique de l'ammoniac au contact desdites pièces constitué par un gaz oxydant, caracté-risé 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 contient environ 10 % à 99 %
en volume d'ammoniac.

3. Procédé selon la revendication 1, 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 la revendication 1, 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.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé
en ce que l'hydrocarbure est choisi dans le groupe constitué
par du méthane et du propane.

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

9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on renouvelle l'atmosphère du four au moins 2 à 10 fois par heure.

10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on maintient lesdites pièces dans ladite atmosphère pendant au moins une heure.