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.
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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.