CA2324943A1 - Method for carburizing or carbonitriding metal parts - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE CEMENTATION OU CARBONITRURATION DE PIECES
METALLIQUES
La présente invention concerne le domaine des atmosphères utilisées dans les fours de traitement thermique. Elle s'intéresse plus particulièrement aux atmosphères utilisées pour les procédés de cémentation et carbonitruration de pièces métalliques, en particulier de pièces en acier.
De telles atmosphères sont fréquemment issues d'un générateur endothermique dans lequel un mélange d'air et d'hydrocarbure est envoyé
sur un réacteur catalytique (le plus couramment à base de nickel) à une température supérieure à 1000°C, permettant de réaliser l'oxydation partielle de l'hydrocarbure.
De telles atmosphères de cémentation peuvent également être obtenues par la réaction in-situ (à l'intérieur du four de traitement thermique) d'un mélange air/hydrocarbure, ou encore par les procédés couramment appelés dans l'industrie procédés "azote-méthanol" dans lesquels un mélange d'azote et de méthanol liquide, dans des proportions souhaitées (par exemple 40-60, ou 30-70, ou encore 20-80), est envoyé à l'intérieur du four de traitement thermique, donnant lieu au cracking du méthanol in-situ, et à la production correspondante d'hydrogène et de monoxyde de carbone.
Dans tous ces cas (générateur endothermique, atmosphères azote/méthanol ...) le rapport COIH2 dans le four est voisin de 1/2.
A titre illustratif, une composition typique d'atmosphère de cémentation à l'intérieur du four (telle qu'obtenue par exemple à partir d'un générateur endothermique fonctionnant au méthane ou encore d'un procédé
azote-méthanol mettant en oeuvre un ratio 40 % - 60 %) est la suivante 20 % CO, 40 % H2, 0,1 % COz, 0,3 % H20, 1,3 °~ CH4, le reste de l'atmosphère étant constitué d'azote.
On sait qu'une des façons dont l'homme du métier des traitements thermiques caractérise une atmosphère de traitement thermique, et en particulier son activité en terme de cémentation, est le "potentiel carbone"
de l'atmosphère, un paramètre qui caractérise la capacité de l'atmosphère à
fournir du carbone à une pièce à cémenter, et qui (selon les systèmes d'évaluation adoptés) peut notamment s'exprimer en fonction de la concentration en CO et C02 de l'atmosphère ainsi que de la température à
laquelle est réalisé le traitement. CEMENTATION OR CARBONITRURATION PROCESS OF PARTS
METALLIC
The present invention relates to the field of atmospheres used in heat treatment furnaces. She is more interested particularly at the atmospheres used for the carburizing processes and carbonitriding of metal parts, in particular steel parts.
Such atmospheres frequently arise from a generator endothermic into which a mixture of air and hydrocarbon is sent on a catalytic reactor (most commonly based on nickel) at a temperature above 1000 ° C, allowing oxidation to be carried out partial of the hydrocarbon.
Such carburizing atmospheres can also be obtained by the in situ reaction (inside the treatment oven thermal) of an air / hydrocarbon mixture, or alternatively by the processes commonly called in the industry "nitrogen-methanol" processes in which a mixture of nitrogen and liquid methanol, in desired proportions (by example 40-60, or 30-70, or even 20-80), is sent inside the oven heat treatment, resulting in methanol cracking in situ, and corresponding production of hydrogen and carbon monoxide.
In all these cases (endothermic generator, atmospheres nitrogen / methanol ...) the COIH2 ratio in the oven is close to 1/2.
As an illustration, a typical atmosphere composition of carburizing inside the furnace (as obtained for example from a endothermic generator running on methane or a process nitrogen-methanol using a 40% - 60% ratio) is as follows 20% CO, 40% H2, 0.1% COz, 0.3% H20, 1.3 ° ~ CH4, the rest of the atmosphere being made up of nitrogen.
We know that one of the ways in which the person skilled in the art of treatments characterizes a heat treatment atmosphere, and in particular its activity in terms of carburizing, is the "carbon potential"
of the atmosphere, a parameter that characterizes the ability of the atmosphere to supply carbon to a part to be cemented, and which (depending on the systems adopted) can be expressed in particular according to the CO and C02 concentration in the atmosphere as well as the temperature at which treatment is carried out.
2 A titre illustratif, on se reportera aux ouvrages suivants traitant du rôle et du calcul du potentiel carbone intervenant dans des procédés de cémentation de pièces métalliques : l'ouvrage de G. KRAUSS, s'intitulant "Principles of heat treament of steel" publié par "The American Society for Metals", ainsi qu'à l'ouvrage "Metals Handbook 9th Edition, vol. 4, Heat treating", publié en 1981 par "The American Society for Metals", ou encore à
l'article récapitutatif de Daniel W. McCurdy paru en mai 1996 dans la revue « Materials Australia ».
Le potentiel carbone d'un mélange gazeux représente alors la teneur en carbone, exprimée en pourcentage massique, de fausténite qui est en équilibre avec cette atmosphère.
Si de nombreux modèles de calcul du potentiel carbone, à partir de la composition de l'atmosphère, sont rapportés dans la littérature, reste que une des méthodes les plus précises et rigoureuses (car absolue) de détermination de ce potentiel carbone est la méthode dite « du clinquant ».
Elle repose sur la notion d'équilibre thermodynamique entre l'atmosphère de cémentation et le carbone contenu dans une pièce traitée.
Elle consiste donc à mettre en présence et en équilibre dans un four sous température et atmosphère données, un clinquant d'un acier bas carbone (par exemple du type XC10 à 0,1 % de carbone) de faibles dimensions (par exemple un clinquant de 80 mm de longueur, 35 mm de largeur et 0,05 mm d'épaisseur, ces faibles dimensions garantissant la possibilité d'atteindre un équilibre). Le potentiel carbone atteint dans ces conditions d'atmosphère et de température fixées étant alors évalué de façon rigoureuse par analyse directe de la teneur en carbone du clinquant, par exemple par dosage chimique total du carbone après combustion du clinquant dans un courant d'oxygène (dosage du COZ).
Ainsi, à titre illustratif, une atmosphère dont le potentiel carbone est égal à 0,7 est en équilibre avec une austénite à 0,7 % de carbone, cette atmosphère décarburant alors jusqu'à 0,7 % de carbone une austénite qui contient plus de carbone, et cémentant jusqu'à 0,7 % de carbone une austénite qui en contient moins.
Comme on peut le constater à la lecture des références de la littérature citées plus haut, de 1950 à 1987, l'état de la technique du contrôle du potentiel carbone des atmosphères de traitement thermique a reposé 2 By way of illustration, reference is made to the following works dealing with role and calculation of the carbon potential involved in case hardening of metal parts: the work by G. KRAUSS, entitled "Principles of heat treament of steel" published by "The American Society for Metals ", as well as the book" Metals Handbook 9th Edition, vol. 4, Heat treating ", published in 1981 by" The American Society for Metals ", or Daniel W. McCurdy's summary article published in May 1996 in the journal "Materials Australia".
The carbon potential of a gas mixture then represents the carbon content, expressed as a percentage by mass, of faustenite which is in balance with this atmosphere.
If many models for calculating carbon potential, from the composition of the atmosphere, are reported in the literature, remains that one of the most precise and rigorous (because absolute) methods of determination of this carbon potential is the so-called "tinsel" method.
It is based on the notion of thermodynamic equilibrium between the carburizing atmosphere and the carbon contained in a treated part.
It therefore consists of bringing together and balancing in an oven under given temperature and atmosphere, a tinsel of low carbon steel (for example of the XC10 type with 0.1% carbon) of small dimensions (for example a foil of 80 mm in length, 35 mm in width and 0.05 mm thick, these small dimensions guaranteeing the possibility of reaching a balanced). The carbon potential reached under these atmospheric conditions and of fixed temperatures then being rigorously evaluated by analysis direct the carbon content of the foil, for example by dosing total carbon chemistry after burning the foil in a current oxygen (COZ dosage).
Thus, by way of illustration, an atmosphere whose carbon potential is equal to 0.7 is in equilibrium with an austenite at 0.7% carbon, this decarburizing atmosphere then up to 0.7% carbon an austenite which contains more carbon, and cementing up to 0.7% carbon a austenite which contains less.
As can be seen from the references of the literature cited above, from 1950 to 1987, the state of the art of control carbon potential of heat treatment atmospheres has rested
3 essentiellement sur l'utilisation de l'une des trois réactions suivantes (où
Ca représente le carbone adsorbé en surface de la pièce) H2+CO-~ HZO+Ca (1) 2C0 ~ Ca + COz (2) CO ~ Ca + 1/2 Oz (3) On le voit donc, à travers les époques, plusieurs formules d'évaluation du potentiel carbone ont été et sont utilisées dans la littérature, ainsi la réaction (1 ) montre bien que si les teneurs en CO et Hz de l'atmosphère sont connues, la mesure de la concentration en Hz0 permet de calculer le potentiel carbone de l'atmosphère.
L'utilisation de la réaction (2) montre que si la teneur en CO de l'atmosphère est connue, la mesure de la concentration de l'atmosphère en COz permet ici encore d'évaluer le potentiel carbone de l'atmosphère. Cette méthode d'évaluation a été très largement adoptée dans les années 60 pour sa grande stabilité par rapport à un contrôle qui serait basé sur ia mesure du point de rosée.
Enfin, on voit que la réaction (3) montre que pour une teneur en CO de l'atmosphère connue, une mesure de la teneur en oxygène permet d'évaluer le potentiel carbone. L'apparition des sondes à oxygène en zircone sur le marché dans les années 70 a fait que cette méthode d'évaluation du potentiel carbone selon la réaction (3} est rapidement devenue un standard mondial.
Une des méthodes couramment utilisée pour augmenter le potentiel carbone d'une atmosphère est d'ajouter à l'atmosphère de cémentation une faible quantité d'un gaz riche en hydrocarbure, généralement du méthane ou du propane, ce gaz additionnel réagissant avec l'eau, le COz, ou l'oxygène, permettant ainsi d'augmenter les teneurs en CO
et Hz selon ies réactions suivantes CH4 + COz -~ 2C0 + 2Hz CH4 + Hz0 -~ CO + 3Hz On le voit donc, le contrôle mais surtout la régulation du potentiel carbone à travers les époques était basé sur le contrôle et la régulation de l'une ou plusieurs des espèces parmi COz , C0, Hz , Oz , ou encore H20.
Par ailleurs il a toujours été recommandé de limiter l'injection d'hydrocarbure ainsi que le niveau de potentiel carbone mis en place, afin d'éviter les dépôts de suie (voir par exemple l'ouvrage de synthèse de 3 basically on using one of the following three reactions (where It represents the carbon adsorbed on the surface of the part) H2 + CO- ~ HZO + Ca (1) 2C0 ~ Ca + COz (2) CO ~ Ca + 1/2 Oz (3) We therefore see, through the ages, several formulas assessment of carbon potential have been and are used in the literature, thus reaction (1) clearly shows that if the CO and Hz contents of the atmosphere are known, the measurement of the concentration in Hz0 allows calculate the carbon potential of the atmosphere.
The use of reaction (2) shows that if the CO content of the atmosphere is known, measuring the concentration of the atmosphere in COz here again makes it possible to assess the carbon potential of the atmosphere. This evaluation method was widely adopted in the 1960s for its great stability compared to a control which would be based on the measurement of the dew point.
Finally, we see that reaction (3) shows that for a content of CO of the known atmosphere, a measurement of the oxygen content allows assess the carbon potential. The appearance of zirconia oxygen sensors on the market in the 70s made this method of assessing the carbon potential according to the reaction (3} quickly became a standard worldwide.
One of the methods commonly used to increase the carbon potential of an atmosphere is to add to the atmosphere of carburizing a small amount of a gas rich in hydrocarbons, usually methane or propane, this additional gas reacts with water, COz, or oxygen, thus increasing CO contents and Hz according to the following reactions CH4 + COz - ~ 2C0 + 2Hz CH4 + Hz0 - ~ CO + 3Hz So we see it, the control but especially the regulation of the potential carbon through the ages was based on the control and regulation of one or more of the species from COz, C0, Hz, Oz, or H20.
In addition, it has always been recommended to limit the injection of hydrocarbon as well as the level of carbon potential put in place, so avoid soot deposits (see for example the synthesis work of
4 Dominique Ghiglione et al, « Pratique des Traitements Thermiques », publié
en mai 1997 par les Techniques de L'Ingénieur et l'Association Technique de Traitement Thermique-ATTT).
Les procédés de cémentation rapportés dans la littérature mettent typiquement en oeuvre deux types de phase, c'est-à-dire deux types de mise en contact de la pièce à cémenter avec une atmosphère contrôlée a) une première phase dite cc d'enrichissement » en carbone au cours de laquelle on met en contact la pièce, à une température généralement comprise entre 780°C et 980°C (selon qu'il s'agit de cémentation ou de carbonitruration), avec une atmosphère qui comporte de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, dont le potentiel carbone est généralement situé dans une gamme allant de 0,9 à 1,3 (pour les aciers conventionnels), pour obtenir un profil de carbone donné dans la partie superficielle de la pièce.
b) une phase dite « de diffusion », au cours de laquelle la pièce est mise en contact avec une atmosphère dont le potentiel carbone est inférieur au potentiel carbone mis en place durant la phase d'enrichissement (couramment 0,7 à 0,9 pour les aciers conventionnels), afin d'obtenir un flux de carbone transféré de la phase gazeuse à la pièce à traiter nul ou quasi nul, phase de diffusion permettant une diffusion du carbone précédemment introduit à l'intérieur de la pièce, et ainsi un profil de concentration en carbone à l'intérieur de la pièce (et en particulier en surface) requis et choisi sur des critères métallurgiques.
Selon les pièces traitées et les applications visées, on observe une très grande variété de procédés de cémentation dans l'industrie, dont la durée varie très largement, typiquement depuis des procédés ne durant qu'une heure, jusqu'à des procédés durant près de 24 heures.
On conçoit alors qu'il serait extrêmement intéressant, pour des raisons économiques de productivité, de pouvoir disposer de procédés de cémentation accélérés permettant de diminuer de façon significative le temps de cémentation.
La présente invention vise notamment à proposer un procédé de cémentation accélérée.
Pour ce faire, l'invention concerne un procédé de cémentation ou de carbonitruration de pièces métalliques (donc à base de métal ou alliage métallique, notamment ferreux), selon lequel on met en contact les pièces, durant au moins une phase d'enrichissement en carbone, avec une atmosphère d'enrichissement en carbone qui comporte de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, procédé du genre où l'on peut faire varier le potentiel carbone de ladite atmosphère d'enrichissement par des ajouts contrôlés 4 Dominique Ghiglione et al, “Practice of Thermal Treatments”, published in May 1997 by the Techniques of the Engineer and the Technical Association of Heat treatment-ATTT).
The cementation processes reported in the literature put typically implement two types of phase, that is to say two types of implementation in contact with the part to be cemented with a controlled atmosphere a) a first phase known as "carbon enrichment" at during which the part is brought into contact, at a temperature generally between 780 ° C and 980 ° C (depending on whether it is of carburizing or carbonitriding), with an atmosphere which includes hydrogen and carbon monoxide, the carbon potential of which is generally in a range from 0.9 to 1.3 (for steels conventional), to obtain a carbon profile given in the section surface of the room.
b) a phase called "diffusion", during which the piece is contact with an atmosphere with a lower carbon potential with the carbon potential implemented during the enrichment phase (usually 0.7 to 0.9 for conventional steels), in order to obtain a flux of carbon transferred from the gas phase to the part to be treated zero or almost zero, diffusion phase allowing carbon diffusion previously introduced inside the room, and thus a profile of concentration in carbon inside the room (and in particular on the surface) required and selected on metallurgical criteria.
Depending on the parts treated and the intended applications, there is a very wide variety of cementation processes in the industry, including the duration varies widely, typically from processes not lasting than one hour, up to processes lasting almost 24 hours.
We can then imagine that it would be extremely interesting, for economic reasons for productivity, to be able to have accelerated carburizing to significantly reduce the time cementation.
The present invention aims in particular to propose a method of accelerated case hardening.
To do this, the invention relates to a cementation process or carbonitriding of metal parts (therefore based on metal or alloy metallic, especially ferrous), according to which the parts are brought into contact, during at least one carbon enrichment phase, with a carbon enrichment atmosphere that includes hydrogen and carbon monoxide, a process where you can vary the potential carbon from said enrichment atmosphere by controlled additions
5 d'une espèce gazeuse telle que un hydrocarbure, ou un mélange d'hydrocarbures, ou encore un mélange gazeux comportant de l'oxygène ou susceptible de libérer de l'oxygène, se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes a) on effectue ledit ajout contrôlé afin d'atteindre le niveau de potentiel carbone de l'atmosphère recherché permettant d'atteindre voire de dépasser la saturation en carbone de l'austénite dudit métal ou alliage métallique ;
b) on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en au moins un hydrocarbure et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en ledit au moins un hydrocarbure à une valeur prédéfinie.
Comme on l'aura compris à la lecture de ce qui précède, le niveau de potentiel carbone mis en place et régulé permet d'obtenir et de maintenir à
la surface de la pièce une teneur en carbone au moins égale à la valeur de saturation en carbone de l'austénite du métal ou alliage métallique considéré.
A titre illustratif, on se reportera classiquement aux diagrammes de phases bien connus de l'homme du métier des traitements thermiques pour le fer ou ses alliages, avec par exemple pour le fer pur, une saturation de l'austénite, pour une température comprise entre environ 895°C et 927°C, obtenue pour une teneur en carbone de l'ordre de 1,2 à 1,3 %, au delà, le carbone précipitant dans l'austénite sous forme de carbures.
Le procédé de cémentation ou de carbonitruration de pièces métalliques selon l'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - la dite mise en contact des pièces avec une atmosphère d'enrichissement s'effectue à une température comprise entre 780°C et 980°C;
- l'hydrocarbure dont on régule la teneur résiduelle dans l'atmosphère d'enrichissement est le méthane CH4 ; 5 of a gaseous species such as a hydrocarbon, or a mixture of hydrocarbons, or a gaseous mixture comprising oxygen or capable of releasing oxygen, characterized by the use following measures a) said controlled addition is carried out in order to reach the level of potential carbon of the atmosphere sought to reach or even exceed the carbon saturation of the austenite of said metal or alloy metallic ;
b) measuring the residual content of the atmosphere in at least one hydrocarbon and we regulate the carbon potential of the atmosphere at said level sought, by regulating the residual content of the atmosphere in said at least a hydrocarbon at a predefined value.
As will be understood from reading the above, the level of carbon potential set up and regulated makes it possible to obtain and maintain the surface of the part a carbon content at least equal to the value of carbon saturation of the austenite of the metal or metal alloy considered.
By way of illustration, reference will conventionally be made to the diagrams of phases well known to those skilled in the art of heat treatments for the iron or its alloys, with for example for pure iron, a saturation of austenite, for a temperature between approximately 895 ° C and 927 ° C, obtained for a carbon content of the order of 1.2 to 1.3%, beyond, the carbon precipitating in austenite in the form of carbides.
The process of carburizing or carbonitriding parts metal according to the invention may also adopt one or more of the following features - the so-called contacting of the parts with an atmosphere enrichment takes place at a temperature between 780 ° C and 980 ° C;
- the hydrocarbon whose residual content is regulated in the enrichment atmosphere is methane CH4;
6 - l'hydrocarbure dont on régule la teneur résiduelle dans l'atmosphère est un des sous-produits de décomposition d'un hydrocarbure CxHy où x> 1 ;
- on régule le potentiel carbone de l'atmosphère à une valeur supérieure ou égale à 0,7 % ;
- on régule le potentiel carbone de l'atmosphère à une valeur supérieure ou égale à 1,3 % ;
- on régule le potentiel carbone de l'atmosphère à une valeur inférieure ou égale à 4 % ;
- on régule la teneur résiduelle de l'atmosphère d'enrichissement en l'hydrocarbure à une valeur située entre 0,1 °~ et 5 % volumiques;
- la teneur résiduelle de l'atmosphère en COz est inférieure ou égale à 2 % et préférentiellement inférieure ou égale à 1,5 % volumiques;
- on procède après la ou chaque phase d'enrichissement en carbone des pièces, à une phase de diffusion, par mise en contact des pièces avec une atmosphère de diffusion qui comporte de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, le potentiel carbone de ladite atmosphère de diffusion étant inférieur à ladite valeur régulée du potentiel carbone de l'atmosphère d'enrichissement ;
- on procède à plusieurs cycles d'enrichissement/diffusion des pièces métalliques en carbone;
- on obtient la dite valeur du potentiel carbone de l'atmosphère de diffusion inférieure à la valeur régulée du potentiel carbone de l'atmosphère d'enrichissement par ajout de dioxyde de carbone COz;
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère de diffusion en C02 et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère de diffusion au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en COz à
une valeur prédéfinie.
L'invention concerne également un procédé de cémentation ou de carbonitruration de pièces à base de métal ou alliage métallique, selon lequel on met en contact les pièces, durant au moins une phase d'enrichissement en carbone, à une température d'enrichissement donnée, avec une atmosphère d'enrichissement comportant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, du genre où l'on peut faire varier le potentiel carbone de ladite atmosphère d'enrichissement par des ajouts contrôlés d'une espèce gazeuse telle que un hydrocarbure ou un mélange d'hydrocarbures, ou encore un mélange gazeux 6 - the hydrocarbon whose residual content is regulated in the atmosphere is one of the decomposition by-products of a hydrocarbon CxHy where x>1;
- we regulate the carbon potential of the atmosphere to a value greater than or equal to 0.7%;
- we regulate the carbon potential of the atmosphere to a value greater than or equal to 1.3%;
- we regulate the carbon potential of the atmosphere to a value less than or equal to 4%;
- the residual content of the enrichment atmosphere is regulated in the hydrocarbon at a value between 0.1 ° ~ and 5% by volume;
- the residual COz content of the atmosphere is lower or equal to 2% and preferably less than or equal to 1.5% by volume;
- we proceed after the or each enrichment phase in carbon of the parts, at a diffusion phase, by bringing the parts into contact with a diffusion atmosphere that includes hydrogen and carbon monoxide, the carbon potential of said diffusion atmosphere being less than said regulated value of the carbon potential of the atmosphere enrichment;
- we carry out several enrichment / dissemination cycles of carbon metal parts;
- we obtain the so-called carbon potential value of the atmosphere of diffusion below the regulated value of the carbon potential of the atmosphere enrichment by adding carbon dioxide COz;
- the residual content of the diffusion atmosphere is measured in C02 and we regulate the carbon potential of the scattering atmosphere desired level, by regulating the residual COz content of the atmosphere at a predefined value.
The invention also relates to a method of carburizing or carbonitriding of parts based on metal or metal alloy, according to which the parts are brought into contact, during at least one enrichment phase in carbon, at a given enrichment temperature, with an atmosphere enrichment with hydrogen and carbon monoxide, kind where we can vary the carbon potential of said atmosphere enrichment by controlled additions of a gaseous species such as a hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons, or a gas mixture
7 comportant de l'oxygène ou susceptible de libérer de l'oxygène, caractérisé
par la mise en oeuvre des mesures suivantes a) on effectue ledit ajout contrôlé afin d'atteindre le niveau de potentiel carbone de l'atmosphère recherché permettant d'atteindre voire de dépasser la saturation en carbone de l'austénite dudit métal ou alliage métallique ;
b) on évalue la sensibilité du potentiel carbone de l'atmosphère d'enrichissement au voisinage du potentiel carbone atteint lors de l'étape a), en fonction d'ajouts, dans l'atmosphère, d'hydrocarbure ou de mélange gazeux comportant de l'oxygène ou susceptible de libérer de l'oxygène;
c} selon le résultat de l'évaluation de l'étape b), on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché en adoptant l'une ou l'autre des voies suivantes - on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en au moins un hydrocarbure et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en ledit au moins un hydrocarbure à une valeur prédéfinie;
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en vapeur d'eau et l'on régule le potentiel carbone de ('atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en vapeur d'eau à une valeur prédéfinie;
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en oxygène et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en oxygène à une valeur prédéfinie;
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en C02 et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en COZ à une valeur prédéfinie.
Le procédé de cémentation ou de carbonitruration de pièces métalliques selon l'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - la mise en contact avec l'atmosphère d'enrichissement s'effectue à une température comprise entre 780°C et 980°C ;
- ledit hydrocarbure dont on régule la teneur résiduelle est le méthane ;
WO 99/55921 PCT/FR99/0070? 7 containing oxygen or capable of releasing oxygen, characterized by implementing the following measures a) said controlled addition is carried out in order to reach the level of potential carbon of the atmosphere sought to reach or even exceed the carbon saturation of the austenite of said metal or alloy metallic ;
b) the sensitivity of the carbon potential of the atmosphere is evaluated enrichment in the vicinity of the carbon potential reached during step a), depending on additions, to the atmosphere, of hydrocarbon or mixture gaseous with oxygen or capable of releasing oxygen;
c} according to the result of the evaluation of step b), we regulate the carbon potential of the atmosphere at the said level sought by adopting one either of the following - the residual content of the atmosphere is measured in at least one hydrocarbon and we regulate the carbon potential of the atmosphere at said level sought, by regulating the residual content of the atmosphere in said at least a hydrocarbon at a predefined value;
- the residual content of water vapor in the atmosphere is measured and we regulate the carbon potential of the atmosphere at the said desired level, by regulating the residual content of water vapor in the atmosphere to a value predefined;
- the residual oxygen content of the atmosphere is measured and the carbon potential of the atmosphere is regulated at the said desired level, by regulating the residual oxygen content of the atmosphere to a value predefined;
- the residual content of CO2 in the atmosphere is measured and regulates the carbon potential of the atmosphere at said desired level, by regulating the residual COZ content of the atmosphere to a predefined value.
The process of carburizing or carbonitriding parts metal according to the invention may also adopt one or more of the following features - the contact with the enrichment atmosphere takes place at a temperature between 780 ° C and 980 ° C;
- said hydrocarbon whose residual content is regulated is methane;
WO 99/55921 PCT / FR99 / 0070?
8 - ledit hydrocarbure dont on régule la teneur résiduelle est un des sous-produits de décomposition d'un hydrocarbure CxHy où x>1 ;
- on régule le potentiel carbone de l'atmosphère à une valeur située dans l'intervalle allant de 0,7 % à 4 % ;
- on régule la teneur résiduelle en ledit au moins un hydrocarbure dans la gamme allant de 0,1 à 5 % volumiques ;
- la teneur résiduelle en C02 de ladite atmosphère d'enrichissement est inférieure ou égale à 2 % volumiques ;
- la teneur résiduelle en COz de ladite atmosphère d'enrichissement est inférieure à 1,5 % volumiques ;
- on procède, après la ou chaque phase d'enrichissement en carbone, à une phase de diffusion, durant laquelle on met en contact les pièces avec une atmosphère de diffusion comportant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, dont le potentiel carbone est inférieur à ladite valeur régulée du potentiel carbone de l'atmosphère d'enrichissement ;
- le potentiel carbone de l'atmosphère de diffusion est inférieur à
1 %;
- on obtient la dite valeur du potentiel carbone de l'atmosphère de diffusion inférieure à la valeur régulée du potentiel carbone de l'atmosphère d'enrichissement par ajout de dioxyde de carbone C02 ;
- on mesure la teneur résiduelle en C02 de l'atmosphère de diffusion et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère de diffusion en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en C02 à une valeur prédéfinie .
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une représentation de courbes donnant en ordonnée la teneur en carbone pour des clinquants d'acier XC10 cémentés, en fonction de la teneur en C02 de l'atmosphère d'enrichissement, une courbe étant représentée pour chaque valeur du rapport CO/H2 de l'atmosphère d'enrichissement;
- la figure 2 représente, pour des pastilles (échantillons massifs) d'acier XC10 cémentées, quatre courbes fournissant le profil carbone des pièces (teneur en carbone des pièces en ordonnée en fonction de la 8 - said hydrocarbon, the residual content of which is regulated, is one of the decomposition by-products of a CxHy hydrocarbon where x>1;
- we regulate the carbon potential of the atmosphere to a value in the range from 0.7% to 4%;
- the residual content of said at least one hydrocarbon is regulated in the range from 0.1 to 5% by volume;
- the residual C02 content of said atmosphere enrichment is less than or equal to 2% by volume;
- the residual COz content of said atmosphere enrichment is less than 1.5% by volume;
- we proceed, after the or each enrichment phase in carbon, at a diffusion phase, during which the rooms with a diffusion atmosphere comprising hydrogen and carbon monoxide, the carbon potential of which is less than said value regulated the carbon potential of the enrichment atmosphere;
- the carbon potential of the diffusion atmosphere is less than 1%;
- we obtain the so-called carbon potential value of the atmosphere of diffusion below the regulated value of the carbon potential of the atmosphere enrichment by adding carbon dioxide C02;
- the residual content of C02 in the atmosphere of diffusion and we regulate the carbon potential of the diffusion atmosphere by regulating the residual content of C02 in the atmosphere to a value predefined.
Other features and advantages of the present invention will emerge from the following description of embodiments given as illustrative but not limiting, made in connection with the drawings annexed on which ones - Figure 1 is a representation of curves giving in ordered the carbon content for case-hardened XC10 steel foils, depending on the C02 content of the enrichment atmosphere, a curve being represented for each value of the CO / H2 ratio of the enriching atmosphere;
- Figure 2 shows, for pellets (bulk samples) of hardened XC10 steel, four curves providing the carbon profile of parts (carbon content of parts on the ordinate according to the
9 profondeur en micron dans la pièce), les quatre courbes ayant été
respectivement obtenues pour un potentiel carbone de l'atmosphère de 0,5 %, 0,78 %, 1,,25 % et 3,81 %;
- la figure 3 représente, pour le cas de l'atmosphère CO/H2 à 70 de CO, la teneur en carbone mesurée dans le clinquant en fonction de la teneur résiduelle en CH4 mesurée dans l'atmosphère.
La figure 1 représente donc les résultats obtenus en terme de cémentation sur des clinquants en acier bas carbone (0,1 % de carbone en poids, pièces parallélépipédiques de 80 mm x 35 mm x 0,05 mm) , traités dans tous les cas pendant une durée de 15 mn, ce temps de 15 mn ayant démontré être suffisant pour que le clinquant atteigne l'équilibre thermodynamique avec l'atmosphère de cémentation.
Chaque clinquant après traitement a été analysé par combustion complète dans l'oxygène et analyse du COZ de combustion, permettant d'obtenir la teneur totale du clinquant en carbone, et donc d'en déduire la valeur du potentiel carbone de l'atmosphère.
Tous les essais ont été réalisés dans un four pot de marque AICHELIN, dont le volume est voisin de 0,15 m3, les clinquants étant introduits dans le four dès que la température de traitement de 925°C
est atteinte et dès que la composition souhaitée de l'atmosphère dans le four est suffisamment stabilisée. Comme déjà signalé, le temps de maintien du clinquant dans le four est de 15 mn.
Les travaux menés à bien par la Demanderesse tels que rapportés figure 1 montrent donc la teneur en carbone mesurée dans le clinquant en fonction de la teneur résiduelle en C02 dans l'atmosphère, ceci pour différentes atmosphères d'enrichissement caractérisées par leur rapport CO/H2 (la courbe la plus à droite sur le graphe étant obtenue pour le rapport 90/10, puis suivent dans l'ordre les courbes obtenues pour les rapports 70/30, 60/40, 50/50, 30170, 20/80, la dernière courbe représentée le plus à
gauche sur le graphe étant obtenue pour une atmosphère d'azote/méthanol dans un rapport 40/60).
Un certain nombre de remarques s'imposent alors immédiatement à la lecture de ces courbes - tout d'abord la possibilité d'obtenir, pour certaines conditions d'atmosphère, des teneurs en carbone dans le clinquant (donc des potentiels carbone d'atmosphère) extrêmement élevées, en pratique largement supérieures à 1, atteignant même 3 à 4 % , y compris pour des rapports COIHZ différents de 1/2;
- pour toutes ces courbes, l'observation d'un premier domaine (domaine obtenu en ajoutant dans l'atmosphère du CH4 permettant de 5 consommer du C02 pour former du CO et de l'hydrogène) pour lequel, en deçà d'une certaine valeur de la teneur résiduelle en COZ (dépendant du rapport CO/H2 considéré), la teneur résiduelle en COZ dans l'atmosphère varie extrêmement peu voire carrément plus du tout alors que le potentiel carbone croît très fortement; 9 depth in micron in the room), the four curves having been respectively obtained for a carbon potential of the atmosphere of 0.5%, 0.78%, 1.25% and 3.81%;
- Figure 3 shows, for the case of CO / H2 atmosphere at 70 CO, the carbon content measured in the foil as a function of the residual CH4 content measured in the atmosphere.
FIG. 1 therefore represents the results obtained in terms of carburizing on low carbon steel foils (0.1% carbon in weight, 80 mm x 35 mm x 0.05 mm parallelepiped parts), processed in all cases for a period of 15 min, this time of 15 min having shown to be sufficient for the foil to reach equilibrium thermodynamics with the carburizing atmosphere.
Each foil after treatment was analyzed by combustion complete in oxygen and combustion COZ analysis, allowing to obtain the total carbon content of the foil, and therefore to deduce therefrom value of the carbon potential of the atmosphere.
All tests were carried out in a brand pot oven AICHELIN, whose volume is close to 0.15 m3, the foils being introduced into the oven as soon as the processing temperature of 925 ° C
East reached and as soon as the desired composition of the atmosphere in the oven is sufficiently stabilized. As already mentioned, the holding time of the tinsel in the oven is 15 min.
The work carried out by the Applicant as reported Figure 1 therefore show the carbon content measured in the foil in function of the residual C02 content in the atmosphere, this for different enrichment atmospheres characterized by their relationship CO / H2 (the rightmost curve on the graph being obtained for the ratio 90/10, then follow in order the curves obtained for the reports 70/30, 60/40, 50/50, 30 170, 20/80, the last curve shown the most left on the graph being obtained for a nitrogen / methanol atmosphere in a 40/60 report).
A certain number of remarks are immediately imposed when reading these curves - first of all the possibility of obtaining, for certain conditions atmosphere, carbon content in the foil (therefore potentials atmospheric carbon) extremely high, in practice widely greater than 1, even reaching 3 to 4%, including for reports COIHZ different from 1/2;
- for all these curves, the observation of a first domain (domain obtained by adding CH4 to the atmosphere allowing 5 consume CO2 to form CO and hydrogen) for which, in below a certain value of the residual COZ content (depending on the CO / H2 ratio considered), the residual COZ content in the atmosphere varies very little if not more at all while the potential carbon grows very strongly;
10 - on conçoit alors que dans ce premier domaine extrêmement intéressant, puisque mettant en oeuvre des potentiels carbone très élevés, la valeur du potentiel carbone de l'atmosphère soit difficilement réglable en fonction de la teneur en C02 de l'atmosphère (comme cela est fait classiquement dans la littérature) puisque cette teneur en C02 varie très peu;
- de même, compte tenu de la présence d'une teneur significative d'hydrocarbure dans l'atmosphère pour ce premier domaine, il sera également difficile de régler le potentiel carbone à l'aide de la méthode traditionnelle de la sonde à oxygène (problème de pollution de la sonde);
- pour chaque courbe, une variation importante de pente se produit au voisinage d'un potentiel carbone situé entre 1,2 et 1,3 %, c'est-à-dire au voisinage du potentiel carbone de saturation de l'austénite de l'acier considéré (à la température de traitement pratiquée i.e 925°C), il peut être alors extrêmement avantageux selon l'invention, à partir de cette gamme, de réguler le potentiel carbone de l'atmosphère à une valeur donnée, par une mesure de la teneur en hydrocarbure de l'atmosphère et une régulation de cette teneur en hydrocarbure à un niveau prédéfini compte tenu du potentiel carbone visé ;
- dans une seconde partie du graphe, en revanche, c'est-à-dire pour des teneurs en C02 élevées (en pratique au-delà de 1,5 à 2 volumiques), seconde partie obtenue par ajout de C02 dans l'atmosphère (entraînant ta chute de la teneur résiduelle en hydrocarbure de l'atmosphère à des niveaux très faibles), donne lieu à une chute du potentiel carbone jusqu'à des valeurs inférieures à 0,5 %, puis inférieures à 0,25 % ;
- on conçoit alors tout l'intérêt selon l'invention de réguler un potentiel carbone élevé (supérieur ou égale à 1,2 ou 1,3, voire supérieur à 2 ou 3 %), durant une phase d'enrichissement en carbone, sur la teneur 10 - we can see that in this first area, extremely interesting, since using very high carbon potentials, the carbon potential of the atmosphere is difficult to adjust in depending on the CO 2 content of the atmosphere (as it is done conventionally in the literature) since this CO 2 content varies very little;
- similarly, taking into account the presence of a significant content of hydrocarbon in the atmosphere for this first area it will also difficult to adjust the carbon potential using the method traditional oxygen sensor (pollution problem of the sensor);
- for each curve, a significant variation in slope occurs in the vicinity of a carbon potential between 1.2 and 1.3%, that is to say at neighborhood of the carbon saturation potential of the steel austenite considered (at the treatment temperature practiced ie 925 ° C), it can to be then extremely advantageous according to the invention, from this range, regulate the carbon potential of the atmosphere to a given value, by a measurement of the hydrocarbon content of the atmosphere and regulation of this hydrocarbon content at a predefined level taking into account the potential targeted carbon;
- in a second part of the graph, on the other hand, that is to say for high C02 contents (in practice beyond 1.5 to 2 volumes), second part obtained by adding C02 to the atmosphere (causing your fall in the residual hydrocarbon content of the atmosphere at very low levels), leads to a fall in carbon potential up to values less than 0.5%, then less than 0.25%;
- we can then see the advantage of the invention in regulating a high carbon potential (greater than or equal to 1.2 or 1.3, or even greater than 2 or 3%), during a carbon enrichment phase, on the content
11 résiduelle en hydrocarbure de l'atmosphère d'enrichissement (la teneur résiduelle en COz correspondante étant dans cette gamme extrêmement peu sensible), alors que l'on utilisera avantageusement durant une phase de diffusion du carbone à !'intérieur de la pièce, par mise en contact de ia pièce avec une atmosphère de potentiel carbone moindre (par exemple inférieur à
1, typiquement situé entre 0,7 et 0,9 %), une régulation de la teneur en COz de l'atmosphère à un niveau souhaité compte tenu du potentiel carbone « de diffusion » inférieur à 1 visé, la teneur correspondante en CH4 de l'atmosphère variant alors extrêmement peu (très faible sensibilité);
- on constate également à la lecture de cette figure 1 l'existence, de ce que l'on peut appeler un troisième domaine, intermédiaire entre les deux domaines précédemment cités, au moins pour certains rapports CO/Hz (typiquement supérieur ou égal à 30/70). Ce domaine intermédiaire se caractérise par une variation plus cc douce » du potentiel carbone en fonction de la teneur en COz de l'atmosphère, dans un domaine de potentiel carbone situé ici entre environ 1,2 et environ 2,5 %. On conçoit alors pour les rapports COIHz considérés et les domaines intermédiaires considérés, l'intérêt de pouvoir mettre en place des potentiels carbone élevés (puisque bien supérieurs à la saturation de l'austénite) tout en conservant ici la possibilité
de réguler ce ou ces potentiels carbone en régulant la teneur en COz de l'atmosphère de cémentation.
On voit très clairement sur cette figure que les bornes de chaque domaine vont dépendre de la courbe considérée, c'est à dire du rapport COIHz mis en oeuvre, mais on conçoit également que le faisceau représenté
l'a été pour une température de traitement donné (925°C) et que chaque température de traitement donnera alors son propre faisceau et donc ses propres domaines pour chaque courbe.
La figure 3, comme déjà mentionné, illustre une des courbes représentant la teneur en carbone mesuré dans le clinquant en fonction cette fois non pas de la teneur en COz mesurée dans l'atmosphère, mais en fonction de la teneur en CH4 résiduelle dans l'atmosphère, l'exemple représenté ici concernant ie cas de l'atmosphère COIHz à 70 % de CO déjà
évoquée dans le cadre de la figure 1.
On retrouve alors sur cette figure les considérations déjà
soulignées précédemment 11 residual hydrocarbon from the enrichment atmosphere (the content corresponding COz residual being in this range extremely little sensitive), whereas one will advantageously use during a phase of diffusion of carbon inside the room, by contacting ia room with an atmosphere of lower carbon potential (for example less than 1, typically between 0.7 and 0.9%), regulating the COz content of the atmosphere to a desired level taking into account the carbon potential "of diffusion "less than 1 targeted, the corresponding CH4 content of the atmosphere then varies extremely little (very low sensitivity);
- we also see on reading this figure 1 the existence, of what can be called a third domain, intermediate between the two areas previously mentioned, at least for certain CO / Hz ratios (typically greater than or equal to 30/70). This intermediate domain is characterized by a softer "cc variation" of the carbon potential as a function the COz content of the atmosphere, in a carbon potential domain located here between about 1.2 and about 2.5%. We then design for reports COIHz considered and the intermediate domains considered, the interest of ability to set up high carbon potentials (since greater than the saturation of austenite) while retaining here the possibility to regulate this or these carbon potentials by regulating the COz content of the carburizing atmosphere.
We can see very clearly in this figure that the bounds of each domain will depend on the curve considered, i.e. the ratio COIHz implemented, but it is also conceivable that the beam represented was for a given treatment temperature (925 ° C) and that each processing temperature will then give its own beam and therefore its own domains for each curve.
Figure 3, as already mentioned, illustrates one of the curves representing the carbon content measured in the foil as a function of this times not the COz content measured in the atmosphere, but in function of the residual CH4 content in the atmosphere, the example shown here concerning the case of the COIHz atmosphere at 70% CO already mentioned in the context of figure 1.
We then find in this figure the considerations already previously highlighted
12 - dans une gamme de potentiel carbone inférieur ou égal à 1,2 à
1,3 %, on retrouve la gamme de très faible variation de la teneur résiduelle en CH4 dans l'atmosphère, correspondant, on l'a vu précédemment, à une gamme de variation significative de la teneur résiduelle en C02 ;
- à partir du niveau de potentiel carbone situé dans une gamme allant d'environ 1,2 à 1,3 %, on enregistre une forte variation de la teneur résiduelle en CH4 dans l'atmosphère (évoluant dans le cas présent typiquement entre 0,1 °~ et 3 %), entraînant une forte croissance du potentiel carbone jusqu'à atteindre une valeur supérieure à 3 %, correspondant, comme précédemment décrit dans le cadre de la figure 1, à une gamme de faible valeur et très faible variation de la teneur résiduelle en C02 dans l'atmosphère.
La figure 2 illustre alors pour sa part l'intérêt de travailler à fort potentiel carbone (3,81 %) sur la teneur en carbone introduite dans une pièce d'acier XC10 (échantillons massifs cylindriques de 30 mm de diamètre et 5 mm d'épaisseur), en fonction de la profondeur exprimée en micron, en fournissant les résultats comparatifs obtenus pour quatre potentiels carbone différents (respectivement 0,5 %, 0,78 %, 1,25 % et 3,81 °~).
Les échantillons ont été obtenus dans les conditions expérimentales suivantes : une heure de traitement dans le même four AICHELIN à 925°C, l'atmosphère initiale introduite dans le four étant une atmosphère binaire COIH2 à 50 % de CO et 50 % d'hydrogène.
L'analyse des échantillons, une fois traités, a été effectuée par Spectrométrie à Décharge Luminescente (SDL).
Le potentiel carbone de l'atmosphère (0,5, 0,78 etc...) a été
déterminé dans chacun des 4 cas en introduisant dans le four, en plus de la pastille massive à cémenter, un clinquant, et en analysant ce clinquant après traitement (caractéristiques et procédure déjà décrite dans le cadre de la figure 1 )°.
On conçoit qu'en 1 heure de cémentation, l'équilibre du clinquant est largement atteint puisqu'on l'a vu précédemment il était déjà atteint en minutes.
Les atmosphères de cémentation dans chaque cas sont alors les suivantes 12 - in a carbon potential range less than or equal to 1.2 to 1.3%, we find the range of very small variation in the residual content in CH4 in the atmosphere, corresponding, as we saw previously, to a range of significant variation of the residual CO2 content;
- from the carbon potential level located in a range ranging from about 1.2 to 1.3%, there is a strong variation in the content residual CH4 in the atmosphere (evolving in this case typically between 0.1 ° ~ and 3%), leading to strong growth in potential carbon until reaching a value greater than 3%, corresponding, as previously described in the context of FIG. 1, at a range of low value and very small variation in the residual C02 content in the atmosphere.
Figure 2 then illustrates the advantage of working hard carbon potential (3.81%) on the carbon content introduced into a room XC10 steel (cylindrical bulk samples 30 mm in diameter and 5 mm thick), depending on the depth expressed in micron, in providing the comparative results obtained for four carbon potentials different (respectively 0.5%, 0.78%, 1.25% and 3.81 ° ~).
The samples were obtained under the conditions experimental experiments: one hour of treatment in the same oven AICHELIN at 925 ° C, the initial atmosphere introduced into the oven being a binary atmosphere COIH2 with 50% CO and 50% hydrogen.
Analysis of the samples, once treated, was carried out by Glow Discharge Spectrometry (SDL).
The carbon potential of the atmosphere (0.5, 0.78 etc ...) has been determined in each of the 4 cases by placing in the oven, in addition to the massive pellet to be cemented, a foil, and by analyzing this foil after treatment (characteristics and procedure already described in the context of the figure 1) °.
We can see that in 1 hour of carburizing, the balance of the foil is largely reached since we saw it previously it was already reached in minutes.
The carburizing atmospheres in each case are then the following
13 a) cas du potentiel carbone gal 0,5 ~
CO = 49,5 %, Hz = 48,6 %, COz = 1,82 %, CH4 = 0,12 % et H20 = 19, 6C.
b) cas du potentiel carbone gal 0,78 ~
CO = 49,3 %, Hz = 49,7 %, COz = 1,04 %, CH4 = 0,18 % et H20 = 11, 6C.
c) cas du potentiel carbone gal 1,25 CO = 50 %, Hz = 49,4 %, COz = 0,55 %, CH4 0,29 %
= et H20 = 2,9C.
d) cas du potentiel carbone gal 3,81 CO = 48 %, Hz = 49,1 %, COz = 0,25 %, CH4 2,66 %
= et H20 = - 8,4°C.
Nous voyons alors clairement que le profil carbone obtenu pour un potentiel carbone de 3,81 °~ domine très largement les autres profils carbone obtenus pour des valeurs de potentiel carbone qui ne sont pas situées sur la partie substantiellement verticale de la courbe CO/Hz = 50/50 (figure 1 ) représentant l'évolution du potentiel carbone en fonction de la teneur en COz.
La quantité de carbone introduite dans l'échantillon est en conséquence largement plus importante dans ce cas, pour un même temps de traitement d'une heure.
Au vue des courbes représentées figure 2, on conçoit le grand intérêt pratique qu'il y a à pouvoir réguler le potentiel carbone d'une atmosphère d'enrichissement à des valeurs élevées (i.e supérieures à celle correspondant à la saturation de l'austénite).
En effet, de telles conditions permettent d'accélérer la cinétique de cémentation (un profil de carbone donné peut ici en considérant la figure 2 être obtenu plus rapidement en travaillant initialement avec une atmosphère cémentante à potentiel carbone plus élevé que ceux traditionnellement employés dans la littérature}. 11 est en effet bien connu que à température donnée, la profondeur de cémentation s'exprime en fonction de la racine carrée du temps (voir l'ouvrage de G. KRAUSS cité plus haut).
Pour résumer les commentaires effectués ci-dessous concernant les figures 1 à 3, on conçoit l'intérêt d'un des aspects de l'invention, selon lequel on met en contact les pièces, durant au moins une phase d'enrichissement en carbone avec une atmosphère d'enrichissement, et on procède aux mesures suivantes 13 a) case of carbon potential gal 0.5 ~
CO = 49.5%, Hz = 48.6%, COz = 1.82%, CH4 = 0.12 % and H20 = 19.6C.
b) case of carbon potential gal 0.78 ~
CO = 49.3%, Hz = 49.7%, COz = 1.04%, CH4 = 0.18 % and H20 = 11.6C.
c) case of carbon potential gal 1.25 CO = 50%, Hz = 49.4%, COz = 0.55%, CH4 0.29%
= and H20 = 2.9C.
d) case of carbon potential gal 3.81 CO = 48%, Hz = 49.1%, COz = 0.25%, CH4 2.66%
= and H20 = - 8.4 ° C.
We then clearly see that the carbon profile obtained for a carbon potential of 3.81 ° ~ largely dominates the other profiles carbon obtained for carbon potential values which are not located on the substantially vertical part of the CO / Hz curve = 50/50 (Figure 1) representing the evolution of the carbon potential as a function of the COz content.
The amount of carbon introduced into the sample is in far greater consequence in this case, for the same time one hour treatment.
In view of the curves shown in Figure 2, we conceive the large practical benefit of being able to regulate the carbon potential of a enrichment atmosphere at high values (ie higher than that corresponding to the saturation of the austenite).
Indeed, such conditions make it possible to accelerate the kinetics of carburizing (a given carbon profile can here by considering figure 2 be obtained more quickly by initially working with an atmosphere cemented with higher carbon potential than those traditionally used in literature}. It is indeed well known that at temperature given, the cementation depth is expressed as a function of the root square of time (see the work by G. KRAUSS cited above).
To summarize the comments made below regarding Figures 1 to 3, we understand the interest of one aspect of the invention, according which the parts are brought into contact, during at least one phase carbon enrichment with an enrichment atmosphere, and we take the following measures
14 a) on effectue un ajout contrôlé d'une espèce telle un hydrocarbure, afin d'atteindre voire de dépasser la saturation en carbone de l'austénite du métal ou alliage métallique considéré ;
b) on évalue la sensibilité du potentiel carbone de l'atmosphère d'enrichissement au voisinage du potentiel carbone atteint lors de l'étape a), en fonction d'ajouts de COZ ou encore d'hydrocarbure dans l'atmosphère (comme on l'a vu précédemment, selon le rapport COIH2 considéré, on observera ou non un domaine intermédiaire de variation « douce » du potentiel carbone en fonction de la teneur en C02 de l'atmosphère);
c) selon le résultat de l'évaluation de l'étape b), on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché en mesurant la teneur résiduelle de l'atmosphère en au moins une espèce parmi les hydrocarbures, COZ , H20 , ou 02, et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en ladite espèce. 14 a) a controlled addition of a species such as hydrocarbon, in order to reach or even exceed the carbon saturation of the austenite of the metal or metal alloy considered;
b) the sensitivity of the carbon potential of the atmosphere is evaluated enrichment in the vicinity of the carbon potential reached during step a), depending on additions of COZ or hydrocarbon in the atmosphere (as we saw previously, according to the COIH2 report considered, we or not observe an intermediate domain of "soft" variation of the carbon potential as a function of the CO 2 content of the atmosphere);
c) according to the result of the evaluation of step b), the carbon potential of the atmosphere at the said level sought by measuring the residual content of the atmosphere in at least one species among hydrocarbons, COZ, H20, or 02, and we regulate the carbon potential of the atmosphere at said desired level, by regulating the residual content of the atmosphere in said species.
Claims (26)
base de métal ou alliage métallique, selon lequel on met en contact les pièces, durant au moins une phase d'enrichissement en carbone, avec une atmosphère d'enrichissement comportant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, caractérisé en ce que le rapport CO/H2 de l'atmosphère est différent de 1/2. 1. Process for carburizing or carbonitriding parts to be base of metal or metal alloy, according to which one puts in contact the parts, during at least one carbon enrichment phase, with a enrichment atmosphere comprising hydrogen and carbon monoxide carbon, characterized in that the CO/H2 ratio of the atmosphere is different of 1/2.
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en vapeur d'eau et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en vapeur d'eau à une valeur prédéfinie;
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en oxygène et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en oxygène à une valeur prédéfinie;
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en CO2 et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en CO2 à une valeur prédéfinie. 2. Carburizing or carbonitriding process according to claim 1, characterized in that the carbon potential of the the atmosphere at a desired level by adopting one or other of the paths following - measuring the residual content of the atmosphere in at least one hydrocarbon and the carbon potential of the atmosphere is regulated at the said level sought, by regulating the residual content of the atmosphere of said at least a hydrocarbon at a predefined value;
- the residual water vapor content of the atmosphere is measured and the carbon potential of the atmosphere is regulated at the said desired level, by regulating the residual water vapor content of the atmosphere to a value predefined;
- the residual oxygen content of the atmosphere is measured and the carbon potential of the atmosphere is regulated at the said desired level, by regulating the residual oxygen content of the atmosphere to a value predefined;
- the residual CO2 content of the atmosphere is measured and regulates the carbon potential of the atmosphere at the said desired level, by regulating the residual CO2 content of the atmosphere to a predefined value.
base de métal ou alliage métallique, selon lequel on met en contact les pièces, durant au moins une phase d'enrichissement en carbone, à une température d'enrichissement donnée, avec une atmosphère d'enrichissement comportant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, du genre où l'on peut faire varier le potentiel carbone de ladite atmosphère d'enrichissement par des ajouts contrôlés d'une espèce gazeuse telle un hydrocarbure ou un mélange d'hydrocarbures, ou encore un mélange gazeux comportant de l'oxygène, caractérisé par la mise en oeuvre des mesures suivantes:
a) on effectue ledit ajout contrôlé afin d'atteindre le niveau de potentiel carbone de l'atmosphère recherché permettant d'atteindre voire de dépasser la saturation en carbone de l'austénite dudit métal ou alliage métallique ;
b) on évalue la sensibilité du potentiel carbone de l'atmosphère d'enrichissement au voisinage du potentiel carbone atteint lors de l'étape a), en fonction d'ajouts dans l'atmosphère d'hydrocarbure ou de mélange comportant de l'oxygène ou susceptible de libérer de l'oxygène;
c) selon le résultat de l'évaluation de l'étape b), on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché en adoptant l'une ou l'autre des voies suivantes:
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en au moins un hydrocarbure et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en ledit au moins un hydrocarbure à une valeur prédéfinie;
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en vapeur d'eau et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en vapeur d'eau à une valeur prédéfinie;
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en oxygène et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en oxygène à une valeur prédéfinie;
- on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en CO2 et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en CO2 à une valeur prédéfinie. 3. Process for carburizing or carbonitriding parts to be base of metal or metal alloy, according to which one puts in contact the parts, during at least one carbon enrichment phase, at a given enrichment temperature, with an atmosphere enrichment containing hydrogen and carbon monoxide, type where the carbon potential of said atmosphere can be varied enrichment by controlled additions of a gaseous species such as a hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons, or a gaseous mixture comprising oxygen, characterized by the implementation of the measures following:
a) said controlled addition is carried out in order to reach the level of carbon potential of the atmosphere sought to achieve or even exceed the carbon saturation of the austenite of said metal or alloy metallic ;
b) the sensitivity of the carbon potential of the atmosphere is assessed enrichment in the vicinity of the carbon potential reached during step a), depending on additions to the atmosphere of hydrocarbon or mixture containing oxygen or capable of releasing oxygen;
c) according to the result of the evaluation of step b), the carbon potential of the atmosphere at the said desired level by adopting one either of the following:
- measuring the residual content of the atmosphere in at least one hydrocarbon and the carbon potential of the atmosphere is regulated at the said level sought, by regulating the residual content of the atmosphere of said at least a hydrocarbon at a predefined value;
- the residual water vapor content of the atmosphere is measured and the carbon potential of the atmosphere is regulated at the said desired level, by regulating the residual water vapor content of the atmosphere to a value predefined;
- the residual oxygen content of the atmosphere is measured and the carbon potential of the atmosphere is regulated at the said desired level, by regulating the residual oxygen content of the atmosphere to a value predefined;
- the residual CO2 content of the atmosphere is measured and regulates the carbon potential of the atmosphere at the said desired level, by regulating the residual CO2 content of the atmosphere to a predefined value.
base de métal ou alliage métallique, selon lequel on met en contact les pièces, durant au moins une phase d'enrichissement en carbone, avec une atmosphère d'enrichissement comportant de l'hydrogène et du monoxyde de carbone, du genre où l'on peut faire varier le potentiel carbone de ladite atmosphère d'enrichissement par des ajouts contrôlés d'une espèce gazeuse telle un hydrocarbure ou un mélange d'hydrocarbures, ou encore un mélange gazeux comportant de l'oxygène ou susceptible de libérer de l'oxygène, caractérisé par la mise en ~uvre des mesures suivantes:
a) on effectue ledit ajout contrôlé afin d'atteindre le niveau de potentiel carbone de l'atmosphère recherché permettant d'atteindre voire de dépasser la saturation en carbone de l'austénite dudit métal ou alliage métallique ;
b) on mesure la teneur résiduelle de l'atmosphère en au moins un hydrocarbure et l'on régule le potentiel carbone de l'atmosphère au dit niveau recherché, en régulant la teneur résiduelle de l'atmosphère en ledit au moins un hydrocarbure à une valeur prédéfinie. 15. Process for carburizing or carbonitriding parts to be base of metal or metal alloy, according to which one puts in contact the parts, during at least one carbon enrichment phase, with a enrichment atmosphere comprising hydrogen and carbon monoxide carbon, of the kind where one can vary the carbon potential of said enrichment atmosphere by controlled additions of a gaseous species such as a hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons, or a mixture gas containing oxygen or capable of releasing oxygen, characterized by the implementation of the following measures:
a) said controlled addition is carried out in order to reach the level of carbon potential of the atmosphere sought to achieve or even exceed the carbon saturation of the austenite of said metal or alloy metallic ;
b) measuring the residual content of the atmosphere in at least one hydrocarbon and the carbon potential of the atmosphere is regulated at the said level sought, by regulating the residual content of the atmosphere of said at least a hydrocarbon at a predefined value.
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