EP0096602A1 - Procédé de traitement thermique de pièces métalliques par carburation - Google Patents

Procédé de traitement thermique de pièces métalliques par carburation Download PDF

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EP0096602A1
EP0096602A1 EP83400935A EP83400935A EP0096602A1 EP 0096602 A1 EP0096602 A1 EP 0096602A1 EP 83400935 A EP83400935 A EP 83400935A EP 83400935 A EP83400935 A EP 83400935A EP 0096602 A1 EP0096602 A1 EP 0096602A1
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EP
European Patent Office
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atmosphere
phase
nitrogen
carbon potential
during
Prior art date
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EP83400935A
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German (de)
English (en)
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EP0096602B1 (fr
Inventor
Michel Kostelitz
Phillippe Queille
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising
    • C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces

Definitions

  • the subject of the present invention is a method of heat treatment of metal parts, in particular steel parts, by carburetion.
  • the atmospheres generally used contain approximately 20% C0, 40% H 2 , 40% N 2 , and very small amounts of carbon dioxide and water vapor. These atmospheres are obtained either from so-called endothermic generators, or synthetically from a gas-gas or gas-alcohol mixture; the most common of these synthetic mixtures is nitrogen-methanol: in fact, at the treatment temperatures used, methanol decomposes according to the reaction CH 3 OH ⁇ CO + 2H 2 and it is possible to obtain a gaseous mixture having the composition given ci -above.
  • the carburetion process is carried out as follows: the carbon monoxide present in the treatment atmosphere reacts according to the relationship: 2CO ⁇ CO 2 + C (1) and there is then transfer of the carbon atoms to the metal.
  • the hydrogen present in the atmosphere also participates in carburetion from the point of view of the speed of the process because it reacts with carbon monoxide according to the reaction: CO + H 2 ⁇ C + H 2 O (2).
  • a hydrocarbon such as methane is injected into the furnace, in addition to the mixture intended to form the C0, H2, N 2 species.
  • propane, or butane in each of said zones and the flow rate of this hydrocarbon is adjusted as a function of the CO 2 content of the atmosphere.
  • the CO 2 content of the atmosphere is monitored and the injection rate of the hydrocarbon is adjusted accordingly as a function of the desired carbon potential.
  • This regulation can also be carried out by monitoring the H 2 O or O 2 content in the atmosphere.
  • the carbon potential ranges of the atmospheres used are conventional carbon potential ranges, ie from 0.7% to 1.1% and in any event less than 1.1%, and that the carbon potential difference between the two phases is small (0.2%).
  • the subject of the invention is a method of heat treatment of metal parts by carburetion which makes it possible to obtain a surface hardening and a carburetted depth of the treated parts satisfactory with a shorter treatment time.
  • the process according to the invention consists in placing the parts to be treated in an oven and in maintaining them, in a carbon enrichment atmosphere comprising in particular carbon monoxide, hydrogen and nitrogen, said treatment comprising a first phase carried out at a temperature of 850 ° C to 1050 ° C followed by a second phase carried out at a temperature of 700 ° C to 950 ° C (preferably 800 ° C to 950 ° C).
  • an atmosphere is used containing approximately 20% to 50% by volume of CO and approximately 40% to 75% by volume of H 2 and having a high carbon potential very close to the limit value leading to soot deposits, ie a carbon potential of approximately 1.1% to 1.6% by weight, and, during the second phase, to have a carbon potential significantly lower than that of the first phase , an increase in the nitrogen content of said atmosphere is increased from 2 to 30 times so that the difference in carbon potential between each of said phases is at least about 0.5% by weight.
  • the concentration of nitrogen in said atmosphere is approximately at most 40% by volume, and during the second phase, said concentration is about 30% to 80% by volume.
  • the applicant sought to increase the carbon potential during the first phase to accelerate the carbon enrichment of the part.
  • Figure 1 represents the theoretical evolution of the carbon potential in a constant temperature oven (without taking into account the influence of the tightness of the oven and the nature of its internal wall), under an initial atmosphere based on of C0, H 2 and N 2 , when high nitrogen flow rates are injected into this furnace.
  • These curves show that effectively a dilution of the treatment atmosphere with nitrogen during the diffusion phase, as developed by the applicant, makes it possible to obtain a very rapid reduction in the carbon potential.
  • an atmosphere with high carbon potential can be used during the first phase, even using an atmosphere rich in fuel species, and sufficiently reduce the carbon potential during the second phase.
  • the treatment atmosphere is formed by introducing into the oven a mixture of nitrogen and methanol (the methanol being sprayed by the stream of nitrogen gas) in such proportions that the desired percentages of CO and H 2 are obtained.
  • the treatment atmosphere can also be formed by introducing an endothermic gas into the oven.
  • a gaseous hydrocarbon such as methane, propane or butane is also introduced in a small percentage (from 0.5% to 5%) relative to the whole of the mixture introduced.
  • gaseous ammonia in a proportion of 0.1% to 10% by volume relative to the whole of the gaseous mixture introduced; there is then carbonitriding.
  • This variant embodiment provides additional surface hardening of the treated parts.
  • the quantity of ammonia introduced into the furnace is chosen according to the steel treated and the degree of nitriding desired.
  • a treatment is carried out in accordance with the invention on steel parts of grade 18CD4 in an oven of the "batch" type shown diagrammatically in FIG. 2 attached.
  • This oven 1 consists of a metal enclosure coated internally with a refractory lining. It has a treatment zone 2 provided with a loading door 3 for the parts to be treated and an airlock 4 provided with a tank 5 for quenching in oil and an outlet door 6 for the treated parts. The treatment zone 2 and the airlock 4 are separated by an interior door 7. The parts to be treated are placed in a basket 8 resting on the bottom of the treatment zone 2. A turbine 9, the function of which is to continuously brew the atmosphere of the oven is placed at a distance above the basket 8.
  • the oven is heated to a temperature of 920 ° C. and then a nitrogen-methanol mixture is introduced into it in proportions such that the atmosphere formed in the oven contains in main species approximately 10% N 2 , 30% CO and 60% H 2 .
  • the parts to be treated are placed in the treatment zone 2, we wait until the temperature rises to 920 ° C and the carbon potential of the atmosphere reaches 1.3% and we maintain the parts in this atmosphere for 2 hours 25 min. During this phase, the rate of C0 2 in the atmosphere is 0.20%.
  • the second phase is then carried out at 860 ° C., increasing the quantity of nitrogen injected into the treatment zone 2 so that the atmosphere formed in the enclosure contains in cash main about 70% N 2 , 10% CO and 20% H 2 and that the carbon potential is 0.7%, and the parts are kept in this atmosphere for 45 min.
  • the CO 2 level in the atmosphere is 0.095%.
  • a small percentage of methane is injected into zone 2 of the furnace (0.5 to 5% relative to the total amount of gaseous mixture introduced) and the injection rate of said methane is adjusted to adjust the carbon potential at the expected value.
  • a treatment is carried out using an atmosphere rich in fuel species having exactly the same composition as that of the first phase of the treatment according to the invention described in Example 1 above, but without modify the nitrogen injection during the second phase, that is to say at constant atmosphere; this comparative treatment is carried out in the same furnace and on 18CD4 steel parts identical to those of Example 1.
  • the first phase is therefore carried out at a temperature of 920 ° C. with an atmosphere whose concentration in main species is 10% N 2 30% CO and 60% H 2 , and with injection of a small quantity of methane and adjustment of the injection rate of said methane to adjust the value of the carbon potential to 1%; the CO 2 level in the atmosphere is 0.28%; the parts are kept in this atmosphere for three hours.
  • the second phase is then carried out at 86 ° C., with the same atmosphere as above, for 1 hour, by adjusting the carbon potential to 0.8%; the rate of C0 2 in the atmosphere is 0.72%.
  • a treatment is carried out in accordance with the invention on steel parts of grade 18CD2, in a continuous pushing oven, shown diagrammatically in FIG. 3 attached.
  • This oven 21 comprises an entry airlock 22 provided with a loading door 23 for the parts to be treated, a carburizing zone 24, a diffusion zone 25, and an exit airlock 26 provided with an exit door 27 of the parts processed.
  • the entry airlock 22, the cementation zone 24, the diffusion zone 25 and the exit airlock 26 are separated from each other by internal doors 28.
  • the parts to be treated are arranged in baskets 29 which move on the bottom of the furnace 21.
  • the carburizing zone 24 has two parts A and B: in part A, the parts to be treated are brought to temperature, and in part B the carburizing itself.
  • Turbines 30, the function of which is to continuously stir the atmosphere of the furnace, are placed at a distance above the baskets 29, in part B of the cementation zone 24 and in the diffusion zone 25.
  • Reservoirs 'nitrogen, methanol and methane, symbolized respectively at 31, 32 and 33, are connected via conduits 34, 35 and 36, provided with valves 37, 38 and 39, to a conduit 40 which opens into part B of the cementation zone 24.
  • the treatment gas mixture is evacuated by burning by means of a flare 44. The treated parts are then cooled in an oil bath (not shown in the figure).
  • the carburizing zone 24 is brought to a temperature of 900 ° C.
  • a nitrogen-methanol mixture is injected into this zone in proportions such that the atmosphere formed in said zone contains approximately 10% N 2 , 30% CO and 60% H 2 in main species, as well as a small amount of methane (0 , 5% to 5% relative to the total amount of the gaseous mixture introduced) so as to obtain a CO 2 level of 0.27%, which corresponds to a carbon potential of 1.2%.
  • Part B of the carburizing zone 24 can contain five baskets.
  • Diffusion zone 25 is at 860 ° C. In this zone only nitrogen is injected (fuel species such as CO and H 2 coming directly from the cementation zone), in an amount such as the atmosphere in this zone diffusion contains about 10% CO, and 20% H 2 .
  • the CO 2 rate in the atmosphere is 0.115%, which corresponds to a carbon potential of 0.6%.
  • the diffusion zone 25 can contain two baskets.
  • the baskets containing the parts to be treated are introduced into the oven every 11 minutes 15 seconds; the pieces therefore remain approximately 56 minutes 15 seconds in the cementation zone and 22 minutes 30 seconds in the diffusion zone.
  • a treatment is carried out using an atmosphere rich in fuel species, similarly composition of N 2 , CO and H (10% N 2 , 30% CO and 60% H 2 ) than the atmosphere used in the carburizing zone during the treatment according to the invention in Example 2 above; but, in this comparative treatment, the atmosphere is the same as in the carburizing zone and in the diffusion zone.
  • the treated parts and the temperatures of the cementation and diffusion zones are the same as those of Example 2.
  • the C0 2 rate of the atmosphere is 0.37% in the cementation zone, which corresponds to a carbon potential of 0.9%; and the CO 2 content of the atmosphere in the diffusion zone is 0.85%, which corresponds to a carbon potential of 0.7%. It is not possible to envisage a greater variation in the CO 2 rate between the two zones, therefore a higher carbon potential in the first zone, because there is no modification of the global atmosphere.
  • the baskets containing the parts to be treated are introduced into the oven every 15 minutes; the pieces therefore remain for 1 hour 15 minutes in the cementation zone and 30 minutes in the diffusion zone.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement thermique de pièces métalliques par carburation.
Selon le procédé, on place les pièces à traiter dans un four et on les maintient dans une atmosphère d'enrichissement en carbone comprenant notamment de l'oxyde de carbone, de l'hydrogène, et de l'azote, ledit traitement comprenant une première phase effectuée à une température de 850°C à 1050°C, suivie d'une deuxième phase effectuée à une température de 700°C à 950°C. Lors de la première phase, on utilise une atmosphère ayant un potentiel carbone d'environ 1,1 % à 1,6 % en poids, et lors de la deuxième phase, on provoque un accroissement de 2 à 30 fois de la teneur en azote de ladite atmosphère de façon à ce que la différence de potentiel carbone entre chacune desdites phases soit d'au moins environ 0,5 % en poids.
L'invention s'applique au traitement thermique de pièces en acier.

Description

  • La présente invention a pour objet un procédé de traitement thermique de pièces métalliques, notamment de pièces en acier, par carburation.
  • On sait que l'utilisation d'atmosphères d'enrichissement en carbone pour le traitement thermique des aciers à des températures de 1050°C à 800°C, permet d'augmenter la teneur en carbone sur une certaine épaisseur à la surface des pièces et ainsi d'en augmenter la dureté et la résistance à l'usure.
  • Les atmosphères utilisées généralement contiennent environ 20 % C0, 40 % H2, 40 % N2 , et de très faibles quantités d'anhydride carbonique et de vapeur d'eau. Ces atmosphères sont obtenues, soit à partir de générateurs dits endothermiques, soit synthétiquement à partir de mélange gaz-gaz ou gaz-alcool ; le plus courant de ces mélanges synthétiques est l'azote-méthanol : en effet, aux températures de traitement utilisées, le méthanol se décompose selon la réaction CH3OH→CO + 2H2 et on peut obtenir un mélange gazeux ayant la composition donnée ci-dessus.
  • Le processus de carburation s'effectue de la façon suivante : l'oxyde de carbone présent dans l'atmosphère de traitement réagit selon la relation : 2CO⇄CO2 + C (1) et il y a alors transfert des atomes de carbone vers le métal. L'hydrogène présent dans l'atmosphère participe également à la carburation du point de vue de la rapidité du processus car il réagit avec l'oxyde de carbone selon la réaction : CO + H2⇄ C + H2O (2).
  • Certains des traitements de carburation mis en oeuvre jusqu'à présent, en particulier les traitements effectués dans des fours à plusieurs zones, comprennent deux phases successives : une première phase dite de "cémentation" suivie d'une deuxième phase dite de "diffusion". De façon plus précise, de tels traitements consistent à soumettre la pièce à traiter dans la zone de cémentation, à une température de 900 à 940°C, à une atmosphère d'enrichissement en carbone ayant un potentiel carbone de 0,9 % à 1,2 % en poids pendant un certain temps ; puis on place la pièce dans la zone de diffusion où on laisse le processus suivre son cours : la température décroît peu à peu jusqu'à 880°C à 800°C et le potentiel carbone de l'atmosphère diminue jusqu'à une valeur de 0,7 % à 0,9 % en poids. On refroidit ensuite la pièce ainsi traitée par trempe en phase gazeuse ou liquide, par exemple dans un bain d'huile. La baisse de température obtenue lors de la phase de diffusion minimise les problèmes de déformation lors de la trempe.
  • Les difficultés qui se présentent lors de tels traitements sont que, d'une part on a intérêt, en début de procédé, à obtenir un potentiel carbone élevé de façon à augmenter l'apport de carbone mais, toutefois, ce potentiel carbone ne doit pas dépasser une valeur limite sinon il se forme des dépôts de suie sur la pièce : cette valeur limite, de 1 % à 1,6 %, est fonction de la température utilisée ; d'autre part, on a intérêt en fin de traitement à avoir un potentiel carbone en surface sinon, lors de la trempe ultérieure, les propriétés métallurgiques de la pièce ne sont pas satisfaisantes car il y a alors présence d'une phase d'austénite résiduelle et donc une mauvaise dureté en surface du produit traité. Comme on le voit, lors des traitements de carburation, il se pose le problème de l'obtention et du contrôle d'un potentiel carbone bien déterminé au cours de chacune des deux phases du traitement.
  • Selon les procédés utilisés jusqu'à présent, pour obtenir le potentiel carbone désiré au cours de chacune desdites phases, on injecte dans le four, en plus du mélange destiné à former les espèces C0, H2, N 2, un hydrocarbure tel que du méthane, du propane, ou du butane dans chacune desdites zones et on règle le débit de cet hydrocarbure en fonction de la teneur en CO 2 de l'atmosphère. En effet, étant donné, d'une part la réaction de consommation du CO par la pièce à traiter (voir équation (1)), d'autre part les entrées d'air dans l'enceinte de traitement, la concentration en C02 de l'atmosphère a tendance à augmenter et donc le potentiel carbone à décroître. C'est pourquoi, on surveille la teneur en C02 2 de l'atmosphère et on règle en conséquence le débit d'injection de l'hydrocarbure en fonction du potentiel carbone recherché. Cette régulation peut également s'effectuer en surveillant la teneur en H2O ou en O2 de l'atmosphère.
  • Depuis le développement des atmosphères synthétiques, notamment à base d'azote et de méthanol, on cherche à aumgenter les teneurs en CO et H2 des atmosphères de traitement. A ce sujet, on peut citer plus particulièrement le procédé décrit dans le brevet américain n° 4.306.918. Ce procédé consiste, dans une première phase, à envoyer du méthanol pur dans le four de traitement et à maintenir les pièces dans une atmosphère ayant un potentiel carbone de 0,8 % à 1,1 %, puis, dans une deuxième phase, à injecter de l'azote (généralement plus économique que le méthanol) dans le four afin que le traitement soit moins onéreux et à maintenir les pièces dans une atmosphère ayant un potentiel carbone de 0,7 % à 0,9 %. Ce procédé permet d'obtenir des profondeurs carburées importantes assez rapidement grâce à l'augmentation des espèces carburantes telles que CO et H2 lors de la première phase. On remarque que, selon le procédé de ce brevet américain n° 4.306.918, les gammes de potentiel carbone des atmosphères utilisées sont des gammes de potentiel carbone classiques, soit de 0,7 % à 1,1 % et en tout état de cause inférieures à 1,1 %, et que l'écart de potentiel carbone entre les deux phases est faible (0,2 %).
  • L'invention a pour objet un procédé de traitement thermique de pièces métalliques par carburation qui permet d'obtenir un durcissement superficiel et une profondeur carburée des pièces traitées satisfaisants avec un temps de traitement plus court.
  • Le procédé conforme à l'invention consiste à placer les pièces à traiter dans un four et à les maintenir, dans une atmosphère d'enrichissement en carbone comprenant notamment de l'oxyde de carbone, de l'hydrogène et de l'azote, ledit traitement comprenant une première phase effectuée à une température de 850°C à 1050°C suivie d'une deuxième phase effectuée à une température de 700°C à 950°C (de préférence 800°C à 950°C). Il se caractérise en ce que, lors de la première phase, on utilise une atmosphère contenant environ 20 % à 50 % en volume de CO et environ 40 % à 75 % en volume de H2 et ayant un potentiel carbone élevé très proche de la valeur limite conduisant à des dépôts de suie, soit un potentiel carbone d'environ 1,1 % à 1,6 % en poids, et, lors de la deuxième phase, pour avoir un potentiel carbone sensiblement plus faible que celui de la première phase, on provoque un accroissement de 2 à 30 fois de la teneur en azote de ladite atmosphère de façon à ce que la différence de potentiel carbone entre chacune desdites phases soit d'au moins environ 0,5 % en poids.
  • Selon une caractéristique de l'invention, au cours de la première phase, la concentration de l'azote dans ladite atmosphère est environ d'au plus 40 % en volume, et au cours de la deuxième phase, ladite concentration est d'environ 30 % à 80 % en volume.
  • Comme on le comprend, pour améliorer la productivité des traitements de carburation, le demandeur a cherché à augmenter le potentiel carbone lors de la première phase pour accélérer l'enrichissement en carbone de la pièce.
  • Mais, pour obtenir de bonnes propriétés métallurgiques, il est nécessaire de diminuer le pourcentage carbone près de la surface. Pour cela, on doit, lors de la deuxième phase, diminuer de façon très importante le potentiel carbone de l'atmosphère. Or, il est difficile de faire varier de façon aussi importante et aussi brutalement le potentiel carbone par les moyens classiques utilisés, tels que le réglage du débit d'injection d'un hydrocarbure dans le four, et celà d'autant plus dans le cas d'une atmosphère très riche en CO et H2 .
  • Compte tenu de ces observations, le demandeur a imaginé d'abaisser le potentiel carbone, au cours de la deuxième phase, en diluant l'atmosphère par un gaz inerte tel que l'azote.
  • En effet, comme on le voit d'après l'équation (1), le potentiel décroît avec le rapport
    Figure imgb0001
    . En diluant l'atmosphère par de l'azote, on diminue les pressions partielles de CO et CO 2 dans les mêmes proportions ; par contre, le rapport
    Figure imgb0002
     décroît et donc le potentiel carbone décroît.
  • La figure 1, jointe, représente l'évolution théorique du potentiel carbone dans un four à température constante (sans tenir compte de l'influence de l'étanchéité du four et de la nature de sa paroi interne), sous une atmosphère initiale à base de C0, H2 et N2, lorsqu'on injecte dans ce four de forts débits d'azote. Sur cette figure, on a représenté deux courbes (I) et (II), donnant le potentiel carbone en fonction du temps pour respectivement, un rapport
    Figure imgb0003
     = 5 et
    Figure imgb0004
     = 10, D étant le débit d'azote injecté dans le tour en m3/h et V le volume du four en m3. Ces courbes montrent qu'effectivement une dilution de l'atmosphère de traitement par de l'azote lors de la phase de diffusion, telle que mise au point par le demandeur, permet d'obtenir une diminution très rapide du potentiel carbone.
  • Ainsi, grâce au procédé conforme à l'invention, on peut utiliser une atmosphère à potentiel carbone élevé au cours de la première phase, même en utilisant une atmosphère riche en espèces carburantes, et diminuer suffisamment le potentiel carbone au cours de la deuxième phase.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on forme l'atmosphère de traitement par introduction dans le four d'un mélange d'azote et de méthanol (le méthanol étant pulvérisé par le courant d'azote gazeux) dans des proportions telles qu'on obtienne les pourcentages désirés de CO et H2. Selon l'invention, l'atmosphère de traitement peut également être formée par introduction dans le four d'un gaz endothermique.
  • Suivant une variante de réalisation, on introduit également un hydrocarbure gazeux tel que du méthane, du propane, ou du butane en faible pourcentage (de 0,5 % à 5 %) par rapport à la totalité du mélange introduit.
  • La mise en oeuvre du procédé peut s'effectuer de deux façons différentes :
    • - soit on mesure au fur et à mesure du traitement, c'est-à-dire de l'injection dans le four du mélange azote-méthanol et de l'hydrocarbure, les concentrations en CO et C02 ou CO et 02, ou CO et H 2 0, ou C02 et 02 , de l'atmosphère formée, ainsi qu'éventuellement la température, ce qui permet d'en déduire le potentiel carbone, et on fait varier le débit d'azote injecté dans le four de façon à obtenir les valeurs de potentiel carbone désirées pour chacune des deux phases.
    • - soit on détermine tout d'abord lors d'essais préliminaires, compte tenu de l'acier à traiter, des dimensions du four, etc..., les valeurs de la concentration en azote que doit avoir l'atmosphère pour obtenir les valeurs de potentiel carbone désirées pour chacune des phases ; puis on effectue le traitement proprement dit en injectant le mélange d'azote et de méthanol au cours de chacune des deux phases en proportions telles qu'on obtienne les concentrations en azote ainsi fixées et on ajuste le potentiel carbone en réglant le débit de l'hydrocarbure injecté dans le four.
  • Selon une caractéristique de l'invention, on peut injecter, en outre dans le four, de l'ammoniac gazeux dans une proportion de 0,1 % à 10 % en volume par rapport à la totalité du mélange gazeux introduit; il y alors carbonitruration. Cette variante de réalisation permet d'obtenir un durcissement superficiel supplémentaire des piéces traitées. On choisit la quantité d'ammoniac introduit dans le four en fonction de l'acier traité et du degré de nitruration désiré.
  • On donne, ci-dessous, à titre non limitatif, deux exemples de réalisation du procédé de l'invention qui feront mieux apparaître les caractéristiques et avantages de l'invention.
    • EXEMPLE 1.
  • On effectue un traitement conforme à l'invention sur des pièces en acier de nuance 18CD4 dans un four de type "batch" représenté schématiquement sur la figure 2 jointe.
  • Ce four 1 est constitué d'une enceinte métallique revêtue intérieurement d'un garnissage réfractaire. Il comporte une zone de traitement 2 munie d'une porte de chargement 3 des pièces à traiter et un sas 4 muni d'un bac 5 de trempe à l'huile et d'une porte de sortie 6 des pièces traitées. La zone de traitement 2 et le sas 4 sont séparés par une porte intérieure 7. Les pièces à traiter sont placées dans un panier 8 reposant sur le fond de la zone de traitement 2. Une turbine 9, dont la fonction est de brasser en permanence l'atmosphère du four, est placée à distance au-dessus du panier 8. Des réservoirs d'azote, de méthanol et de méthane, symbolisés respectivement en 10, 11 et 12, sont reliés par l'intermédiaire de conduits 13, 14 et 15, munis de vannes 16, 17 et 18, à une conduite 19 qui débouche dans la partie supérieure de la zone de traitement 2. L'évacuation du mélange gazeux de traitement s'effectue par brûlage d'une torchère 20.
  • On chauffe le four à une température de 920° C puis on y introduit un mélange azote-méthanol en proportions telles que l'atmosphère formée dans le four contienne en espèces principales environ 10 % N2, 30 % CO et 60 % H2. Au bout d'un certain temps, on place les pièces à traiter dans la zone de traitement 2, on attend que la température remonte à 920° C et que le potentiel carbone de l'atmosphère atteigne 1,3 % et on maintient les pièces dans cette atmosphère pendant 2 heures 25 mn. Pendant cette phase,le taux de C02 dans l'atmosphère est de 0,20 %.
  • On effectue alors la deuxième phase à 860°C, en augmentant la quantité d'azote injecté dans la zone de traitement 2 de façon telle que l'atmosphère formée dans l'enceinte contienne en espèces principales environ 70 % N2, 10 % CO et 20 % H2 et que le potentiel carbone soit de 0,7 %, et on maintient les pièces dans cette atmosphère pendant 45 mn. Pendant cette phase, le taux de CO 2 dans l'atmosphère est de 0,095 %.
  • Au cours des deux phases, on injecte dans la zone 2 du four un faible pourcentage de méthane (0,5 à 5 % par rapport à la quantité totale du mélange gazeux introduit) et on règle le débit d'injection dudit méthane pour ajuster le potentiel carbone à la valeur prévue.
  • La variation importante de potentiel carbone entre les deux phases a pu être obtenue sans difficulté grâce à l'effet de dilution par l'azote, les variations de taux de C02 nécessaires pour obtenir les potentiels carbone désirés évoluant en effet logiquement dans le sens de la dilution.
  • Après trempe des pièces ainsi traitées dans le bac d'huile 5, on effectue les mesures de dureté de la couche carburée. Les résultats obtenus sont les suivants :
    • Dureté Vickers en surface : 890 HV
    • Profondeur pour laquelle on a une dureté Vickers de 550 HV: 0,86 mm.
    TRAITEMENT COMPARATIF A L'EXEMPLE 1.
  • A titre de comparaison, on effectue un traitement à l'aide d'une atmosphère riche en espèces carburantes ayant exactement la même composition que celle de la première phase du traitement selon l'invention décrit dans l'exemple 1 ci-dessus, mais sans modifier l'injection d'azote lors de la deuxième phase, c'est-à-dire à atmosphère constante ; ce traitement comparatif est effectué dans le même four et sur des pièces en acier 18CD4 identiques à celles de l'exemple 1. La première phase s'effectue donc à une température de 920°C avec une atmosphère dont la concentration en espèces principales est de 10 % N2 30 % CO et 60 % H2, et avec injection d'une faible quantité de méthane et réglage du débit d'injection dudit méthane pour ajuster la valeur du potentiel carbone à 1 % ; le taux de CO 2dans l'atmosphère est de 0,28 % ; on maintient les pièces dans cette atmosphère pendant trois heures. On effectue alors la deuxième phase à 86U° C, avec la même atmosphère que précédemment, pendant 1 heure, en ajustant le potentiel carbone à 0,8 % ; le taux de C02 dans l'atmosphère est de 0,72 %.
  • Selon ce traitement, on ne peut utiliser, lors de la première phase, une atmosphère à potentiel carbone de plus de 1 % ; en effet, comme on effectue les deux phases à atmosphère constante, on ne pourrait pas obtenir une augmentation du taux de C02 suffisante pour provoquer la diminution du potentiel carbone, lors de la deuxième phase, nécessaire pour obtenir de bonnes propriétés métallurgiques en surface.
  • Après trempe des pièces ainsi traitées dans le bain d'huile, on mesure la dureté de la couche carburée. Les résultats obtenus sont les suivants :
    • Dureté Vickers en surface : 887 HV
    • Profondeur à laquelle on a une dureté Vickers de 550 HV : 0,85 mm.
  • On voit donc que, grâce au procédé de l'invention, le fait de diluer l'atmosphère, lors de la phase de diffusion, avec de l'azote permet d'obtenir des résultats, en ce qui concerne les propriétés de la couche carburée, analogues à ceux obtenus avec une atmosphère de composition constante, riche en espèces carburantes, mais que, par contre,on obtient un gain de 20 % sur la durée globale du traitement.
    • EXEMPLE 2.
  • On effectue un traitement conforme à l'invention sur des pièces en acier de nuance 18CD2, dans un four continu poussant, représenté schématiquement sur la figure 3 jointe.
  • Ce four 21 comporte un sas d'entrée 22 muni d'une porte de chargement 23 des pièces à traiter, une zone de cémentation 24, une zone de diffusion 25, et un sas de sortie 26 muni d'une porte de sortie 27 des pièces traitées. Le sas d'entrée 22, la zone de cémentation 24, la zone de diffusion 25 et le sas de sortie 26 sont séparés les uns des autres par des portes intérieures 28. Les pièces à traiter sont disposées dans des paniers 29 qui se déplacent sur le fond du four 21. La zone de cémentation 24 comporte deux parties A et B : dans la partie A s'effectue la mise en température des pièces à traiter, et dans la partie B la cémentation proprement dite. Des turbines 30, dont la fonction est de brasser en permanence l'atmosphère du four, sont placées à distance au-dessus des paniers 29, dans la partie B de la zone de cémentation 24 et dans la zone de diffusion 25. Des réservoirs d'azote, de méthanol et de méthane, symbolisés respectivement en 31, 32 et 33, sont reliés par l'intermédiaire de conduits 34, 35 et 36, munis de vannes 37, 38 et 39, à une conduite 40 qui débouche dans la partie B de la zone de cémentation 24. Une conduite 41, munie d'une vanne 42 et reliée à un réservoir d'azote symbolisé en 43, débouche dans la zone de diffusion 25. L'évacuation du mélange gazeux de traitement s'effectue par brûlage au moyen d'une torchère 44. Les pièces traitées sont ensuite refroidies dans un bain d'huile (non représenté sur la figure).
  • On porte la zone de cémentation 24 à une température de 900°C. On injecte dans cette zone un mélange azote-méthanol en proportions telles que l'atmosphère formée dans ladite zone contienne en espèces principales environ 10 % N2, 30 % CO et 60 % H2, ainsi qu'une faible quantité de méthane (0,5 % à 5 % par rapport à la quantité totale du mélange gazeux introduit) de façon à obtenir un taux de CO2 de 0,27 %, ce qui correspond à un potentiel carbone de 1,2 %. La partie B de la zone de cémentation 24 peut contenir cinq paniers.
  • La zone de diffusion 25 est à 860° C. On injecte dans cette zone uniquement de l'azote (les espèces carburantes telles que CO et H2 provenant directement de la zone de cémentation), en quantité telle que l'atmosphère dans cette zone de diffusion contienne environ 10 % de CO, et 20 % de H 2. Le taux de C02 de l'atmosphère est de 0,115 %, ce qui correspond à un potentiel carbone de 0,6 %. La zone de diffusion 25 peut contenir deux paniers.
  • Les paniers contenant les pièces à traiter sont introduits dans le four toutes les 11 minutes 15 secondes ; les pièces restent donc environ 56 minutes 15 secondes dans la zone de cémentation et 22 minutes 30 secondes dans la zone de diffusion.
  • Après trempe des pièces ainsi traitées dans un bain d'huile, on effectue les mesures de dureté de la couche carburée qui donnent les résultats suivants :
    • Dureté Vickers en surface : 925 HV
    • Profondeur à laquelle on a une dureté Vickers de 550 HV : 0,45 mm.
    TRAITEMENT COMPARATIF A L'EXEMPLE 2.
  • A titre de comparaison, on effectue un traitement en utilisant une atmosphère riche en espèces carburantes, de même composition en N2, CO et H (10 % N2, 30 % CO et 60 % H2) que l'atmosphère utilisée dans la zone de cémentation lors du traitement selon l'invention dans l'exemple 2 ci-dessus ; mais, dans ce traitement comparatif, l'atmosphère est la même que dans la zone de cémentation et dans la zone de diffusion.
  • Les pièces traitées et les températures des zones de cémentation et de diffusion sont les mêmes que celles de l'exemple 2. Par contre, le taux de C02 de l'atmosphère est de 0,37 % dans la zone de cémentation, ce qui correspond à un potentiel carbone de 0,9 % ; et le taux de C02 de l'atmosphère dans la zone de diffusion est de 0,85 %, ce qui correspond à un potentiel carbone de 0,7 %. On ne peut envisager une variation plus importante de taux de CO2 entre les deux zones, donc un potentiel carbone dans la première zone plus élevé, du fait qu'il n'y a pas de modification de l'atmosphère globale.
  • Avec ces conditions de traitement, il est nécessaire d'allonger les temps de cycle. Les paniers contenant les pièces à traiter sont introduits dans le four toutes les 15 minutes ; les pièces restent donc 1 heure 15 minutes dans la zone de cémentation et 30 minutes dans la zone de diffusion.
  • Après trempe des pièces ainsi traitées dans un bain d'huile, on effectue les mesures de dureté de la couche carburée, mesures qui donnent les résultats ci-dessous :
    • Dureté en suriace : 923 hV
    • Profondeur à laquelle on a une dureté Vickers de 550 HV : 0,45 mm.
  • Ainsi, on voit que grâce au procédé conforme à l'invention, on obtient des résultats, en ce qui concerne les propriétés métallurgiques des pièces traitées, analogues à ceux obtenus avec un traitement à atmosphère, riche en espèces carburantes, constante dans les deux zones du four, mais que, par contre, on obtient un gain de temps de 25 %.

Claims (8)

1. - Procédé de traitement thermique de pièces métalliques, notamment de pièces en acier, par carburation selon lequel on place lesdites pièces dans un four et on les maintient dans une atmosphère d'enrichissement en carbone comprenant notamment de l'oxyde de carbone, de l'hydrogène, 'et de l'azote, ledit traitement comprenant une première phase effectuée à une température de 850°C à 1050°C, suivie d'une deuxième phase effectuée à une température de 700°C à 950°C, caractérisé en ce que, lors de la première phase, on utilise une atmosphère contenant environ 20 % à 50 % en volume de CO et environ 40 % à 75 % en volume de H2 et ayant un potentiel carbone d'environ 1,1 % à 1,6 % en poids, et lors de la deuxième phase, pour avoir un potentiel carbone sensiblement plus faible que celui de la première phase, on provoque un accroissement de 2 à 30 fois de la teneur en azote de ladite atmosphère de façon à ce que la différence de potentiel carbone entre chacune desdites phases soit d'au moins environ 0,5 % en poids.
2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième phase s'effectue à une température de 800°C à 950°C.
3. - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, au cours de la première phase, la concentration de l'azote dans ladite atmosphère est environ d'au plus 40 % en volume, et au cours de la deuxième phase, la concentration de l'azote dans ladite atmosphère est environ 30 % à 80 % en volume.
4. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on forme ladite atmosphère d'enrichissement en carbone par introduction dans ledit four d'un mélange d'azote et de méthanol.
5. - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on introduit en outre un hydrocarbure gazeux tel que du méthane, du propane, ou du butane dans une proportion de 0,5 % à 5 % en volume par rapport à la totalité du mélange injecté dans le four.
6. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on mesure, au fur et à mesure du traitement, les concentrations en CO et C02, ou CO et 02, ou CO et H20, ou C02 et 02, de l'atmosphère formée, ce qui permet d'en déduire le potentiel carbone, et on fait varier le débit d'azote injecté dans le four de façon à obtenir les valeurs de potentiel carbone désirées pour chacune des deux phases.
7. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on détermine tout d'abord, lors d'essais préliminaires, les valeurs de la concentration en azote que doit avoir l'atmosphère pour obtenir les valeurs de potentiel carbone désirées pour chacune des phases, puis on effectue le traitement proprement dit en injectant le mélange d'azote et de méthanol au cours de chacune des deux phases en proportions telles qu'on obtienne les concentrations en azote ainsi fixées et on ajuste le potentiel carbone en réglant le débit de l'hydrocarbure injecté dans le four.
8. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, dans le cas d'une carbonitruration, on introduit en outre dans le four de l'ammoniac gazeux dans une proportion d'environ 0,1 % à 10 % en volume par rapport à la totalité du mélange injecté dans le four.
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