La présente invention révèle un procédé de fabrication qui permet de réaliser des pièces métalliques présentant une forme et une allure quelconques et dont la surface est suffisamment dure pour que ces pièces soient inrayables, ce procédé étant peu coûteux et conférant sa dureté à la surface du métal sans entraîner dedéformations ni de modifications des dimensions des pièces préalablement mises en forme.
On connaît déjà des pièces métalliques comme, par exemple des boîtes de montre dont la surface ou au moins certains éléments de la surface des parties visibles présentent une dureté suffisante pour éviter ou tout au moins diminuer le rayage des pièces en cours d'utilisation. Ainsi, on a proposé de réaliser certaines pièces de boîtes de montre en un matériau dur tel que le carbure de tungstène ou diverses céramiques. Ces pièces doivent être mises en forme par frittage et subir ensuite des opérations de finition destinées à conférer à la surface de la pièce son aspect définitif.
Or, ces opérations de finition sont très coûteuses surtout pour des pièces de formes complexes. Un autre inconvénient de ces pièces dont la masse est en un matériau très dur est leur fragilité.
On a également proposé d'obtenir des pièces de boîtes de montre inrayables en revêtant un matériau ductile comme l'acier ou un autre métal d'une couche dure par le procédé appelé bilame platting ou par dépôt d'un revêtement en phase gazeuse ou encore par traitement électrolytique. Le garnissage d'une pièce en métal ductile d'une couche de revêtement déposée en fusion est coûteux et présente de grandes difficultés d'exécution sur des séries de pièces de petites dimensions. La finition est également très coûteuse, et difficile à réaliser sans déchets.
Les procédés de durcissement par cémentation ou trempe ou par nitruration sur un métal de base ferreux présentent divers inconvénients: les pièces cémentées sont sujettes à la corrosion. Les pièces nitrurées peuvent être rendues inoxydables mais au prix d'un long traitement de passivation. En outre, les traitements thermiques nécessaires pour obtenir la dureté superficielle désirée entraînent des variations de formes et de dimensions, de sorte qu'il est nécessaire de rectifier les pièces après le durcissement.
On sait que le titane peut être durci en surface par des traitements consistant à le chauffer en présence d'oxygène ou d'azote.
Ces procédés connus utilisent des températures relativement modérées inférieures à 10009C, et la durée du traitement atteint plusieurs heures ou même plusieurs centaines d'heures dans certains cas. Au cours de ce traitement, L'aspect de la surface du titane se modifie. Le métal perd son éclat métallique et change de couleur.
Du fait des exigences esthétiques auxquelles doivent satisfaire des pièces d'usage courant dont les surfaces sont visibles, comme par exemple des boutons de manchettes, etc., ces procédés connus ne pouvaient pas être appliqués pour obtenir des pièces ayant une surface dure et se prêtant à de telles utilisations.
Or, on a découvert qu'il était possible d'obtenir une dureté superficielle élevée dans une pièce en titane sans que l'éclat métallique de la pièce se perde, par un traitement relativement simple permettant d'atteindre une dureté superficielle égale, dans certains oyes, à 1600 HV 100 (désignation selon norme VSM 10924).
L'objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce métallique présentant une surface dure, caractérisé en ce qu'elle est constituée de titane et après avoir été mise en forme, est exposée à haute température et sous faible pression à la diffusion d'oxygène, d'azote, d'hydrogène ou d'un mélange de ces gaz, puis refroidie rapidement.
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L'invention a également pour objet une pièce métallique fabriquée selon ce procédé, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une partie en titane dont la surface forme une partie de la surface visible de la pièce et qui présente une dureté atteignant au moins 1000 HV 100 en surface.
L'invention est basée sur le fait que le titane placé, à haute température, en présence d'oxygène, d'azote ou d'hydrogène est susceptible d'absorber ces éléments. Il se forme en surface des oxydes, des nitrures ou des hydrures qui, lors d'un refroidissement rapide confèrent au métal une structure dure et inoxydable.
On obtient ainsi des pièces qui présentent en surface une couche dure de faible épaisseur dont la dureté décroît progressivement en profondeur jusqu'à atteindre celle du métal initial. De ce fait, la couche superficielle n'est pas fragile. D'autre part, la faible pression a pour effet que la surface conserve l'éclat métallique du métal de base, de sorte que le procédé se prête particulièrement bien à la réalisation de pièces qui doivent présenter une allure esthétique, et qui, par conséquent, étant exposées au contact de poussières ou d'objets durs, peuvent subir des détériorations par rayage.
Un autre avantage du procédé est que la surface du métal conserve la possibilité de recevoir une couche d'oxyde au cours d'un traitement d'oxydation anodique, ce qui permet, comme on le verra plus loin, de lui conférer un aspect coloré tout en conservant encore l'éclat métallique.
Le procédé peut s'appliquer à la fabrication de pièces devant présenter un aspect esthétique, par exemple de boutons de manchettes. Il permet de réaliser des pièces présentant des surfaces lisses de grandes dimensions. L'aspect de surface de ces pièces présente l'éclat caractéristique du métal. Cet aspect ne se ternit pas et ne s'altère pas non plus par rayage au contact d'objets exténeurs.
Le procédé pourrait s'appliquer également à la fabrication de pièces dont la fonction est de coopérer, par contact direct, avec d'autres pièces métalliques ou non.
Le titane peut être travaillé par toutes les méthodes d'usinage connues avec ou sans enlèvement de matière. On peut donc appliquer le procédé décrit ci-dessous à des pièces découpées et embouties dans de la tôle ou formées par découpage et étampage puis usinage avec des outils de coupe.
Ces pièces seront donc usinées et terminées aux dimensions désirées, par une méthode connue, choisie en fonction du résultat désiré. Elles subiront un traitement de finition tel que polissage ou lapidage par exemple. Comme on le verra par la suite, dans une au moins des formes de mise en oeuvre prévues, L'aspect de la surface de la pièce ne sera pas modifié par le traitement de durcissement.
ment.
La pièce, une fois usinée, sera soumise au traitement thermique de durcissement superficiel qui comporte un chauffage en présence d'une atmosphère contrôlée puis un refroidissement rapide.
Le chauffage peut être effectué par exemple par induction dans un four. L'atmosphère en présence de laquelle la pièce sera placée, sera formée d'air, d'azote, d'hydrogène ou éventuellement d'un mélange de ces gaz. Dans chaque cas, la température, la pression et la durée du traitement devront être déterminées de façon à obtenir le meilleur résultat.
On a constaté cependant qu'avec les conditions définies plus loin, on obtenait une dureté qui atteignait une valeur maximum en surface puis décroissait progressivement dans les zones situées sous la surface de manière que le noyau ductile de la pièce conserve la dureté initiale du titane des une profondeur maximum de l'ordre de 1 à 2 mm. Après traitement, la pièce ne nécessite qu'un polissage à la brosse avec pâte à polir. La surface est pratiquement inrayable et, de plus, elle est inoxydable.
Exemple I
Durcissement d'une pièce en atmosphère d'air:
La pièce est chauffée rapidement à une température de 1400 à 1500 C puis maintenue à cette température sous une pression d'air de 710-3 torr. Le refroidissement rapide a lieu ensuite dans le four même.
Après ce traitement, la dureté est de l'ordre de 1000 HV 100 en surface, 720 HV 100 à 0,2 mm, 450 HV 100 à 2 mm, 180 HV 100 à 3 mm de profondeur et plus.
Exemple il
Durcissement en atmosphère d'azote:
La pièce est chauffée sous vide jusqu'à une température de
1400 à 1500"C. On introduit ensuite de l'azote jusqu'à une pression de 1 à 2 torr. Après maintien en présence de cette atmosphère et à cette température pendant 5 minutes, on effectue un refroidissement rapide.
La dureté, après traitement, est de l'ordre de 1600 HV 100 en surface, 500 HV 100 à 0,2 mm, 180 HV 100 à 1 mm de profondeur et plus.
Allure de la surface:
Du fait de la température élevée à laquelle s'effectuent les deux traitements décrits ci-dessus, il se produit, si le métal de base est du titane pur, un phénomène de grossissement du grain qu'accompagne, du fait de la faible pression, un phénomène d'évaporation différentiel, de sorte que la pièce durcie présente en surface des irrégularités conformées selon les dimensions et les alignements des grains. On peut, dans une certaine mesure, réduire ou varier cet
effet de grossissement du grain en utilisant, au lieu de titane pur, différents alliages de titane.
D'autre part, le relief de surface ainsi obtenu peut être utilisé dans un but décoratif, comme on le verra plus loin.
Exemple 171
Durcissement en atmosphère d'hydrogène:
La pièce est chauffée rapidement jusqu'à environ 1100' Cen présence d'une atmosphère d'hydrogène à une pression de 10-' torr, maintenue durant 5 minutes dans cette atmosphère puis refroidie rapidement dans le four.
La dureté après traitement est de l'ordre de 1200 HV 100 en surface, 750 HV 100 à 0,2 mm, 260 HV 100 à I mm, 180 HV 100 à 2 mm de profondeur et plus.
Etant donné que, dans ce dernier exemple, la température du traitement de durcissement est moins élevée que dans les deux premiers, le phénomène de grossissement du grain ne se produit pas ou ne se produit que dans une très faible mesure. Il n'y a pas non plus d'évaporation différentielle, de sorte que la pièce retrouve après le traitement thermique l'aspect qui lui a été conféré par le traitement de finition de surface. Cette possibilité d'obtenir une pièce durcie en surface sans altération de l'allure de cette dernière résulte du fait que les atomes d'hydrogène, plus petits que les atomes d'azote, sont susceptibles de diffuser dans la structure du titane et de former des hydrures durs à une température beaucoup plus basse. L'intérêt du procédé réside également dans le fait que la structure ainsi obtenue est inoxydable.
Les pièces durcies par l'un ou l'autre des traitements décrits cidessus peuvent être utilisées telles quelles ou subir un nouveau traitement destiné à leur conférer un aspect coloré. Ce traitement de coloration consistera essentiellement en une oxydation anodique sous une tension soigneusement choisie. La tension détermine en effet l'épaisseur de la couche d'oxyde qui se forme sur la pièce.
Cette couche d'oxyde étant transparente, si l'on choisit convenablement son épaisseur, elle donne lieu à des phénomènes d'interférence qui la font apparaître colorée, la couleur variant légèrement suivant l'angle sous lequel on regarde la pièce. Dans le cas où le phénomène de grossissement du gniin et d'évaporation du métal a donné à la surfice de la pièce un relief conforme aux limites des grains, la couche d'oxyde qui se forme sur les différents grains après un temps donné présente une épaisseur variable su i- vant l'orientation des surfaces, de sorte que les diflèrents grains apparaissent de couleurs différentes.
Les pièces peuvent également être colorées par un procédé ap pliqué en deux étapes dont la première s'effectue sous une tension relativement élevée de manière à former une couche d'oxyde relativement épaisse, et la seconde sous une tension inférieure, après que la première couche d'oxyde a été éliminée de certaines zones de la pièce. Dans ces zones se forment donc des couches d'oxydes plus minces qui les font apparaitre de couleurs différentes.
Il peut être intéressant, pour certaines pièces, de conserver une partie de la surface à une dureté voisine de celle du métal non traité. En particulier ce sera le cas, par exemple, pour des parties filetées ou taraudées. On a constaté cependant que l'obtention de ce résultat était possible. En effet, même après durcissement superficiel dans les conditions décrites ci-dessus, les pièces en titane peuvent être attaquées par un outil en métal dur qui enlève d'un coup la couche durcie. Les filetages peuvent donc être taillés après le durcissement.
The present invention discloses a manufacturing process which makes it possible to produce metal parts having any shape and appearance and the surface of which is hard enough for these parts to be scratch-proof, this process being inexpensive and giving its hardness to the surface of the metal. without causing deformation or modification of the dimensions of the previously shaped parts.
Metal parts are already known, such as watch cases, for example, the surface of which or at least certain elements of the surface of the visible parts have sufficient hardness to avoid or at least reduce the scratching of the parts during use. Thus, it has been proposed to produce certain parts of watch cases from a hard material such as tungsten carbide or various ceramics. These parts must be shaped by sintering and then undergo finishing operations intended to give the surface of the part its final appearance.
However, these finishing operations are very expensive, especially for parts of complex shapes. Another drawback of these parts, the mass of which is made of a very hard material, is their fragility.
It has also been proposed to obtain parts of scratch-resistant watch cases by coating a ductile material such as steel or another metal with a hard layer by the process called bimetallic platting or by depositing a coating in the gas phase or alternatively. by electrolytic treatment. The lining of a ductile metal part with a molten coating layer is expensive and presents great difficulties of execution on series of parts of small dimensions. The finish is also very expensive, and difficult to achieve without waste.
The hardening processes by carburizing or quenching or by nitriding on a ferrous base metal have various drawbacks: the carburized parts are subject to corrosion. Nitrided parts can be made stainless but at the cost of a long passivation treatment. In addition, the heat treatments required to achieve the desired surface hardness cause variations in shape and size, so that it is necessary to grind the parts after hardening.
It is known that titanium can be hardened at the surface by treatments consisting of heating it in the presence of oxygen or nitrogen.
These known methods use relatively moderate temperatures below 10009C, and the duration of the treatment reaches several hours or even several hundred hours in some cases. During this treatment, the appearance of the titanium surface changes. The metal loses its metallic luster and changes color.
Due to the aesthetic requirements which must be met by parts in common use whose surfaces are visible, such as for example cufflinks, etc., these known methods could not be applied to obtain parts having a hard surface and suitable to such uses.
However, it has been discovered that it is possible to obtain a high surface hardness in a titanium part without the metallic shine of the part being lost, by a relatively simple treatment making it possible to achieve an equal surface hardness, in some cases. oyes, at 1600 HV 100 (designation according to VSM 10924 standard).
The object of the invention is a method of manufacturing a metal part having a hard surface, characterized in that it consists of titanium and, after having been shaped, is exposed to high temperature and under low pressure to the diffusion of oxygen, nitrogen, hydrogen or a mixture of these gases, then cooled rapidly.
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The subject of the invention is also a metal part manufactured according to this process, characterized in that it comprises at least one part made of titanium, the surface of which forms part of the visible surface of the part and which has a hardness of at least 1000 HV 100 on the surface.
The invention is based on the fact that titanium placed at high temperature in the presence of oxygen, nitrogen or hydrogen is capable of absorbing these elements. Oxides, nitrides or hydrides are formed on the surface which, upon rapid cooling, give the metal a hard and stainless structure.
Parts are thus obtained which have on the surface a hard layer of small thickness, the hardness of which gradually decreases in depth until it reaches that of the initial metal. Therefore, the surface layer is not fragile. On the other hand, the low pressure has the effect that the surface retains the metallic luster of the base metal, so that the process lends itself particularly well to the production of parts which must have an aesthetic appearance, and which, therefore , being exposed to contact with dust or hard objects, may be damaged by scratching.
Another advantage of the process is that the surface of the metal retains the possibility of receiving an oxide layer during an anodic oxidation treatment, which makes it possible, as will be seen below, to give it a completely colored appearance. while still retaining the metallic shine.
The method can be applied to the manufacture of parts which must have an aesthetic appearance, for example cufflinks. It makes it possible to produce parts with smooth surfaces of large dimensions. The surface appearance of these pieces presents the characteristic luster of metal. This aspect does not tarnish and does not deteriorate either by scratching in contact with external objects.
The method could also be applied to the manufacture of parts whose function is to cooperate, by direct contact, with other metal parts or not.
Titanium can be worked by all known machining methods with or without material removal. The method described below can therefore be applied to parts cut and stamped in sheet metal or formed by cutting and stamping followed by machining with cutting tools.
These parts will therefore be machined and finished to the desired dimensions, by a known method, chosen according to the desired result. They will undergo a finishing treatment such as polishing or stoning for example. As will be seen below, in at least one of the embodiments provided for, the appearance of the surface of the part will not be modified by the hardening treatment.
is lying.
The part, once machined, will be subjected to the heat treatment of surface hardening which comprises heating in the presence of a controlled atmosphere then rapid cooling.
The heating can be carried out, for example, by induction in an oven. The atmosphere in the presence of which the part will be placed will be formed of air, nitrogen, hydrogen or possibly a mixture of these gases. In each case, the temperature, pressure and duration of the treatment should be determined in order to obtain the best result.
However, it has been observed that with the conditions defined below, a hardness was obtained which reached a maximum value at the surface and then gradually decreased in the zones located below the surface so that the ductile core of the part retains the initial hardness of the titanium of the parts. a maximum depth of the order of 1 to 2 mm. After treatment, the part only needs brush polishing with polishing paste. The surface is practically scratch-resistant and, moreover, it is stainless.
Example I
Curing of a part in an air atmosphere:
The part is heated rapidly to a temperature of 1400 to 1500 C and then maintained at this temperature under an air pressure of 710-3 torr. Rapid cooling then takes place in the oven itself.
After this treatment, the hardness is of the order of 1000 HV 100 at the surface, 720 HV 100 at 0.2 mm, 450 HV 100 at 2 mm, 180 HV 100 at 3 mm deep and more.
Example he
Curing in a nitrogen atmosphere:
The room is heated under vacuum to a temperature of
1400 to 1500 ° C. Nitrogen is then introduced up to a pressure of 1 to 2 torr. After maintaining this atmosphere and at this temperature for 5 minutes, rapid cooling is carried out.
The hardness, after treatment, is of the order of 1600 HV 100 at the surface, 500 HV 100 at 0.2 mm, 180 HV 100 at 1 mm deep and more.
Surface appearance:
Due to the high temperature at which the two treatments described above are carried out, there occurs, if the base metal is pure titanium, a phenomenon of grain enlargement that accompanies, due to the low pressure, a differential evaporation phenomenon, so that the hardened part has on the surface irregularities shaped according to the dimensions and the alignments of the grains. We can, to a certain extent, reduce or vary this
grain magnification effect by using different titanium alloys instead of pure titanium.
On the other hand, the surface relief thus obtained can be used for decorative purposes, as will be seen below.
Example 171
Curing in a hydrogen atmosphere:
The workpiece is heated rapidly to about 1100 ° C in the presence of an atmosphere of hydrogen at a pressure of 10- torr, held for 5 minutes in this atmosphere and then cooled rapidly in the oven.
The hardness after treatment is of the order of 1200 HV 100 at the surface, 750 HV 100 at 0.2 mm, 260 HV 100 at I mm, 180 HV 100 at 2 mm deep and more.
Since, in the latter example, the temperature of the hardening treatment is lower than in the first two, the phenomenon of grain enlargement does not occur or occurs only to a very small extent. There is also no differential evaporation, so that after the heat treatment the part regains the appearance that was given to it by the surface finishing treatment. This possibility of obtaining a hardened part on the surface without altering the appearance of the latter results from the fact that the hydrogen atoms, smaller than the nitrogen atoms, are liable to diffuse in the structure of the titanium and to form hard hydrides at a much lower temperature. The advantage of the process also resides in the fact that the structure thus obtained is stainless.
The parts hardened by one or other of the treatments described above can be used as they are or undergo a new treatment intended to give them a colored appearance. This coloring treatment will consist essentially of anodic oxidation under a carefully chosen voltage. The voltage in fact determines the thickness of the oxide layer which forms on the part.
This oxide layer being transparent, if its thickness is suitably chosen, it gives rise to interference phenomena which make it appear colored, the color varying slightly depending on the angle from which the part is viewed. In the case where the phenomenon of enlargement of the gniin and evaporation of the metal has given the surface of the part a relief conforming to the grain boundaries, the oxide layer which forms on the various grains after a given time presents a variable thickness depending on the orientation of the surfaces, so that the diflerent grains appear different colors.
The parts can also be colored by a two-step applied process, the first of which is carried out under a relatively high tension so as to form a relatively thick oxide layer, and the second under a lower tension, after the first layer oxide has been removed from some areas of the room. In these areas, therefore, thinner oxide layers are formed which make them appear in different colors.
It may be advantageous, for certain parts, to keep part of the surface at a hardness close to that of the untreated metal. In particular this will be the case, for example, for threaded or tapped parts. However, it was found that obtaining this result was possible. Indeed, even after surface hardening under the conditions described above, the titanium parts can be attacked by a hard metal tool which suddenly removes the hardened layer. The threads can therefore be cut after hardening.