EP2683845A1 - Bain de sels fondus pour la nitruration de pieces mecaniques en acier, et un procede de mise en oeuvre - Google Patents

Bain de sels fondus pour la nitruration de pieces mecaniques en acier, et un procede de mise en oeuvre

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EP2683845A1
EP2683845A1 EP12713208.2A EP12713208A EP2683845A1 EP 2683845 A1 EP2683845 A1 EP 2683845A1 EP 12713208 A EP12713208 A EP 12713208A EP 2683845 A1 EP2683845 A1 EP 2683845A1
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EP
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bath
nitriding
alkali metal
sodium
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EP12713208.2A
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EP2683845B1 (fr
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Hervé CHAVANNE
Philippe Maurin-Perrier
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Hydromecanique et Frottement SAS
Original Assignee
HEF SAS
Hydromecanique et Frottement SAS
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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
    • C23C8/40—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 liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions
    • C23C8/42—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 liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions only one element being applied
    • C23C8/48—Nitriding
    • C23C8/50—Nitriding of ferrous surfaces
    • 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
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    • C23C8/40—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 liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions
    • C23C8/52—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 liquids, e.g. salt baths, liquid suspensions more than one element being applied in one step
    • C23C8/54—Carbo-nitriding
    • C23C8/56—Carbo-nitriding of ferrous surfaces

Definitions

  • the invention relates to the nitriding of mechanical parts made of steel.
  • mechanical parts parts intended to ensure, in use, a mechanical function, which generally implies that these parts have a high hardness, good resistance to corrosion and wear; we can cite, in a non-exhaustive way:
  • nitriding treatment sometimes accompanied by a carburation, in which case it is often referred to as nitrocarburizing.
  • nitrocarburizing a nitriding treatment
  • the concept of nitriding includes both nitriding alone, in a bath with a very low cyanide content (typically less than 0.5%), as well as nitrocarburization for cyanide contents above this threshold.
  • This nitriding can be done from a gas phase or a plasma phase or from a liquid phase.
  • Nitriding in the liquid phase has the advantage of allowing a significant hardening to a thickness of several microns in hours of barely a few hours, but has the important disadvantage of involving the implementation of baths of molten salts, at temperatures of the order of 600 ° C (or more), containing in practice cyanides, in combination with cyanates and carbonates (the cations are in practice cations of alkali metals, such as lithium, sodium, potassium, etc ...) - In practice the cyanates are decomposed to form cyanides, carbonates and nitrogen, which is thus available to diffuse into the nitriding part. .
  • low cyanide baths should consist essentially of potassium or sodium cyanates, potassium and sodium carbonates, with more potassium than sodium (which lowered the temperature of the salt baths). ); the objective was to reduce the cyanide content to no more than 5% or even 3%); the decrease in cyanide content was to be offset by cyanates; there was no particular explanation for the role of chlorides apart from the fact that, in carburizing baths, barium chloride is a melting flux.
  • nitriding-carburizing baths could contain alkaline chlorides, saving cyanides and cyanates, which are much more expensive, or lowering the melting temperature; this document concerned salt baths containing from 30% to 60% of cyanides and taught to maximize the content of n-cyanates relative to isocyanates (there were no chlorides in the example described).
  • carburizing baths used at temperatures of 800 ° C. to 950 ° C. containing, by weight, from 35% to 82% of carbonate of carbonates.
  • alkali metals from 15% to 35% of alkali metal cyanides, from 3% to 15% of alkali metal anhydrous silicates and up to 15% of alkaline chlorides; it was indicated that it is preferable that alkaline chlorides be present, preferably up to 10%, without giving any explanation (it seems however that the presence of chlorides has contributed to the preparation of cyanides in a usable form ).
  • US Pat. No. 6,746,546 (published in 2004) has proposed a bath of molten salts containing alkali metal cyanates and alkali metal carbonates, with 45% to 53% cyanate ions (preferably 48% to 50%) maintained at 750 ° F to 950 ° F, i.e. 400 ° C to 510 ° C, to impart good corrosion resistance.
  • the alkali metals were preferably sodium and / or potassium (when both were present, the potassium content was preferably 3.9: 1 relative to the sodium content); in use, this bath contained 1% to 4% cyanide (no details were given as to the presence of any other elements in the bath).
  • nitriding treatments with a low cyanide content should be followed by a finishing treatment as long as a low roughness is sought, which contributes to increasing the cost treatment (labor, polishing equipment) as well as the overall duration of treatment.
  • a low roughness can be obtained with nitriding baths with a high cyanide content (more than 5%), but after periods of several hours (typically 4 to 6 hours), which may seem too long on an industrial scale.
  • the subject of the invention is a nitriding bath with a low cyanide content capable of, at most of the order of a few hours, of nitriding mechanical parts made of iron or steel while giving them a very low roughness (ie without porosity significant), rendering unnecessary a subsequent mechanical recovery (polishing or tribofinishing), all for a moderate cost.
  • the invention proposes for this purpose an essentially constituted nitriding bath (the contents are expressed by weight):
  • composition ranges are generally given for a new bath, but that one seeks in practice to stay as far as possible in these ranges; thus, there is in practice no cyanide ion in the starting bath, and it is in service that one seeks to remain at not more than 3% of cyanide ions.
  • the alkali metal chlorides are lithium, sodium and / or potassium chlorides, which corresponds to chlorides which have been found to be effective, while having a moderate cost, and which do not require heavy stresses. handling point of view.
  • the chloride content is between 40% and 50%, preferably at least approximately 45% (+ 1-2%, even +/- 1%). This range of contents has been found to lead, in a reasonable time, to good nitriding and low roughness.
  • the carbonate content must not become too high, as this may prevent the chemical reactions that lead to nitriding.
  • the cyanate content is between 20% and 40%, or even between 20% and 35%, preferably between 20% and 30%. Even more advantageously, this content is between 25% and 40%, or even between 25% and 35%, preferably between 25% and 30%.
  • These cyanates may in particular be sodium cyanates (or potassium cyanates).
  • alkali metal carbonates is from 20% to 30%, preferably from 25% to 30%.
  • These carbonates may in particular be sodium, potassium and / or lithium carbonates; it is advantageously a mixture of sodium carbonate and lithium.
  • the bath of molten salts consists essentially of (+/- 2%, or even +/- 1%):
  • the bath of molten salts essentially consists, before formation of cyanides up to a maximum of 3, of (at +/- 2%, even +/- 1%):
  • the invention also proposes a process for nitriding mechanical parts made of iron or steel, according to which these parts are immersed in a bath of the aforementioned composition at a temperature of between 530 ° C. and 650 ° C. for at most 4 hours.
  • the parts are immersed in the bath at a temperature of between 570 ° C. and 590 ° C. for at most 2 hours.
  • the duration of a nitriding treatment is conventionally of the order of 90 minutes, but it is understood that the duration of treatment depends on the nature and / or the destination of the parts; this is how one can go from some 30 minutes for valves or tool steels, up to 4 hours when one seeks to nitride on important thicknesses (layers of several tens of micrometers of thickness), or in the case of alloy steels.
  • the invention is advantageously implemented with processing times of the order of 60 to 120 minutes.
  • the invention also relates to mechanical parts of iron or steel nitrided according to the aforementioned method, recognizable in particular by the absence of traces of subsequent mechanical finishing process such as polishing (including the absence of fine polishing scratches).
  • compositions tested are compared with standard baths (which are the same for the various examples) which do not conform to the invention.
  • nitriding treatment 60 min at 580 ° C was done in a standard nitriding bath (not in accordance with the invention) consisting essentially of:
  • the iron nitride layer thus formed had a thickness of 10 +/- 1 ⁇ m.
  • composition according to the invention of this example appeared to be favorable to a good stability of the bath over time, in particular as regards the cyanide content.
  • the samples thus nitrided were then oxidized in a bath of molten salts containing carbonates, hydroxides and nitrates of alkali metals.
  • the purpose of this oxidation was to passivate the surface of the nitride layer forming an iron oxide layer of 1 to 3 ⁇ thick.
  • the parts were immersed in a corrosion protection oil (containing corrosion inhibitors) as is usual with nitriding processes.
  • the corrosion resistance (measured on 10 neutral salt spray parts according to ISO 9227) of the samples treated according to the invention was between 150 and 250 hours.
  • the corrosion resistance (measured on 10 pieces of neutral salt spray according to ISO 9227) of the samples treated in the standard bath was between 10 and 290 hours.
  • a nitriding of ferrous parts made according to the invention thus makes it possible to obtain corrosion resistance comparable to that obtained with standard bath nitriding, while improving the roughness of the surfaces, compared with a treatment in such a standard bath. .
  • Annealed C45 steel samples prepared as above, were nitrided for 1 hour at 590 ° C in a bath containing:
  • alkali metal chlorides NaCl, KCl
  • Such a bath has proved not usable industrially since its melting temperature is greater than 600 ° C., which prevents any ferritic phase nitriding treatment (the majority of the parts are generally nitrided in the ferritic phase, ie at a temperature below 600 ° C). Only the austenitic phase nitriding is then possible, but only for temperatures above 630 ° C and with a high salt entrainment rate (high bath viscosity), which is economically unattractive.
  • this composition appeared to have a higher viscosity than the composition of Example 1, which results in a greater consumption of salts.
  • the degree of porosity of the nitride layers obtained according to the invention is less than 5%, whereas the degree of porosity of the nitride layers obtained with a standard bath is between 25 and 35%.
  • Such a bath has proved not usable for a nitriding treatment since its liquidus temperature is greater than 600 ° C. It is recalled that the temperature of the liquidus is the temperature from which the bath is fully melted and homogeneous composition (unlike the melting temperature which is the temperature from which the bath begins to be liquid, possibly in several phases.
  • the layer of iron nitride formed in the bath following the invention is of the type ⁇ (Fe 2 -3n) and has a void ratio lower than 5% (measured by light microscopy) and has a hardness of 840 ⁇ 40 HV 0 , oi ⁇
  • the iron nitride layer formed in the standard bath (not in accordance with the invention) is of the ⁇ (Fe 2 -3N) type and has a porosity of between 25 and 35% (measured by optical microscopy) and has a hardness of 700 ⁇ 40 HVo.oi- A lower apparent hardness of the layers obtained with a standard bath is explained by their higher porosity rate. Indeed, it is well known that the presence of porosity (ie holes) reduces the resistance of the layers to the penetration of the indenter used for the measurement of hardness.
  • the layer formed has a thickness of 10 +/- 1 ⁇
  • the degree of porosity of the nitride layers obtained according to the invention is between 5 and 10%, whereas the degree of porosity of the nitride layers obtained with a standard bath is between 55 and 65%. It is known that cold-impacted steels have a high degree of work hardening which has a detrimental effect on the porosity of the layers (the higher the degree of work hardening, the more porous the layers). The invention makes it possible to obtain layers with a low porosity rate, even for strongly hardened steels.
  • the samples thus nitrided were then oxidized in a bath of molten salts containing carbonates, hydroxides and nitrates of alkali metals.
  • the purpose of this oxidation is to passivate the surface of the nitride layer by forming an iron oxide layer 1 to 3 ⁇ thick.
  • the parts are immersed in a corrosion protection oil (containing corrosion inhibitors) as is usual with nitro ration processes.
  • the corrosion resistance (measured on 10 pieces in neutral salt spray according to ISO 9227) of the treated samples according to the invention is between 310 and 650 hours.
  • Example 8 (in accordance with the invention)
  • the iron nitride layer formed in the bath according to the invention is of the ⁇ (Fe2-3N) type and has a porosity of less than 5% (measured by optical microscopy) and has a hardness of 1020 ⁇ 40 HV 0 , IM-
  • the iron nitride layer formed in the standard bath is of the ⁇ (Fe 2 -3N) type and has a porosity of between 30 and 40% (measured by optical microscopy) and has a hardness of 830 ⁇ 40 HV 0 ,
  • the lower apparent hardness of the layers obtained with a standard bath is explained by their higher porosity rate. Indeed, it is well known that the presence of porosity (ie holes) reduces the resistance of the layers to the penetration of the indenter used for the measurement of hardness.
  • compositions indicated in the abovementioned examples define the new bath, it being specified that the indications of contents for the cyanide ions are valid in service, taking into account the reactions occurring during the nitriding (it is then sought to maintain the composition bath as stable as possible).

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Abstract

Bain de sels fondus pour la nitruration de pièces mécaniques acier, essentiellement constitué (les teneurs sont exprimées en poids) : - de 25% à 60% de chlorures de métal alcalin, - de 10% à 40% de carbonates de métal alcalin, et - de 20% à 50% de cyanates de métal alcalin, - d'un maximum de 3% d'ions cyanures (formés en service), le total des teneurs étant de 100%. De préférence, le bain contient - 25% à 30% de cyanate de sodium, - 25% à 30% de carbonates de sodium et de lithium, - 40% à 50% de chlorures de potassium, - un maximum de 3% d'ions cyanures (formés en service), le total des teneurs étant de 100%.

Description

BAIN DE SELS FONDUS POUR LA NITRURATION DE PIECES MECANIQUES EN ACIER, ET UN PROCEDE DE MISE EN ŒUVRE
L'invention concerne la nitruration de pièces mécaniques en acier.
Par pièces mécaniques on entend des pièces destinées à assurer, en service, une fonction mécanique, ce qui implique généralement que ces pièces aient une dureté importante, une bonne résistance à la corrosion et à l'usure ; on peut ainsi citer, de manière non exhaustive :
• des axes d'essuie-glace,
• des tiges de vérin hydraulique ou à gaz,
• des soupapes de moteur à combustion,
• des bagues d'articulation.
La gamme des aciers dans lesquels ces pièces sont réalisées, au moins à proximité de leur surface susceptible de subir du frottement ou de la corrosion, est large, allant des aciers non alliés à des alliages dits inoxydables, notamment des alliages au chrome ou au nickel.
Pour durcir superficiellement de telles pièces, il est connu d'appliquer un traitement de nitruration (parfois accompagné d'une carburation, auquel cas on parle volontiers de nitrocarburation). En fait, la notion de nitruration englobe à la fois la nitruration seule, dans un bain à très faible teneur en cyanures (typiquement inférieure à 0,5%), ainsi que la nitrocarburation pour des teneurs en cyanures supérieures à ce seuil. Dans la suite on regroupe ces deux types de traitement sous le terme de nitruration.
Cette nitruration peut se faire à partir d'une phase gazeuse ou d'une phase plasma ou à partir d'une phase liquide.
La nitruration en phase liquide a pour avantage de permettre un durcissement important sur une épaisseur de plusieurs microns en des temps d'à peine quelques heures, mais a pour inconvénient important d'impliquer de mettre en œuvre des bains de sels fondus, à des températures de l'ordre de 600°C (voire plus), contenant en pratique des cyanures, en combinaison avec des cyanates et des carbonates (les cations sont en pratique des cations de métaux alcalins, tels que le lithium, le sodium, le potassium, etc...)- En pratique les cyanates se décomposent pour former notamment des cyanures, des carbonates et de l'azote qui est ainsi disponible pour diffuser dans la pièce à nitrurer. Du fait de la consommation des cyanates et de l'enrichissement en carbonates, il faut prévoir une régénération des bains par introduction de compléments permettant de ramener leurs teneurs en cyanures et en cyanates dans des gammes en garantissant l'efficacité. Dans la suite, les teneurs des bains sont exprimées en pourcentage en poids.
Or, ainsi qu'on le sait, la mise en œuvre de cyanures est dangereuse pour les opérateurs ainsi que pour l'environnement, de sorte que cela fait des décennies qu'on cherche à minimiser la quantité de cyanures à mettre en œuvre dans les procédés de nitruration de pièces mécaniques en acier en bains de sels fondus.
Ainsi, dès les années 1974-75, il a été proposé de chercher à minimiser la teneur en cyanures des bains de nitruration, notamment en évitant les produits toxiques au moment de la régénération, (FR - 2 220 593 et FR - 2 283 243, ou US - 4 019 928, ou encore GB - 1 507 904) ; en fait ces documents ont mentionné, sans commentaires particuliers, une teneur en chlorure alcalin pouvant aller jusqu'à 30% (sans toutefois donner d'exemple, pour de la nitruration, incluant plus de 5% en poids de NaCI dans un bain contenant en outre 64% de cyanate de potassium, 16% de carbonate de potassium, 11% de cyanate de sodium et 4% de cyanures de sodium). Il était considéré que des bains à faible teneur en cyanures devaient être essentiellement constitués de cyanates de potassium ou de sodium, de carbonates de potassium et de sodium, avec plus de potassium que de sodium (ce qui permettait de baisser la température des bains de sels) ; l'objectif était de réduire la teneur en cyanures à pas plus de 5%, voire 3%) ; la baisse de la teneur en cyanures devait être compensée par des cyanates ; il n'y avait pas d'explication particulière sur le rôle des chlorures en dehors du fait que, dans les bains de carburation, le chlorure de baryum est un fondant de fusion.
Préalablement (voir le document GB-891 578 publié en 1962), il avait été mentionné que des bains de nitruration-carburation pouvaient contenir des chlorures alcalins, ce qui permettait d'économiser les cyanures et cyanates, dont le prix est bien plus élevé, ou de diminuer la température de fusion ; ce document concernait des bains de sels contenant de 30% à 60% de cyanures et enseignait de maximiser la teneur en n-cyanates par rapport aux isocyanates (il n'y avait pas de chlorures dans l'exemple décrit).
Il avait également été mentionné (voir le document GB - 854 349 publié en 1960), des bains de carburation (utilisés à des températures de 800°C à 950°C) contenant, en poids, de 35% à 82% de carbonates de métaux alcalins, de 15% à 35% de cyanures de métaux alcalins, de 3% à 15% de silicates anhydres de métaux alcalins et jusqu'à 15% de chlorures alcalins ; il y était indiqué qu'il est préférable que des chlorures alcalins soient présents, de préférence jusqu'à 10%, sans toutefois donner d'explication (il semble toutefois que la présence de chlorures ait contribué à la préparation des cyanures sous une forme utilisable). Par ailleurs, il avait été mentionné (voir le document GB - 1 052 668 publié en 1966) des bains de carbonitru ration, dans des creusets ayant une composition dans une gamme bien choisie, contenant de 10 à 30% de cyanates de métal alcalin et au moins 10% de cyanures de métal alcalin, à 600°C-750°C ; il était mentionné une teneur de 25% de chlorure de métal alcalin, à propos d'un bain de départ (ne contenant par ailleurs que des cyanures (25%) et des carbonates), ainsi que dans le composé de régénération (contenant par ailleurs 75% de cyanures). Il a également été proposé (GB - 1 185 640) de compléter une étape de carburation par une courte étape de trempage dans un bain contenant des cyanures, des cyanates, des carbonates et des chlorures de métal alcalin (sans préciser de plages de teneurs pour ces derniers).
Pour la nitruration d'aciers inoxydables, il a été proposé (US - 4 184 899 publié en 1980) un traitement de nitruration en phase gazeuse, précédé par une étape de prétraitement thermochimique dans un bain contenant de 4% à 30% de cyanures et de 10% à 30% de cyanates en combinaison avec de 0.1 % à 0.5% de soufre. Il est mentionné que le reste des bains de prétraitement peut être formé de carbonate ou de chlorure de sodium, sans que ces éléments soient actifs dans le traitement (à propos d'un bain à 12% de cyanures et 0.3% de soufre, il est mentionné qu'il y a au départ 25% de carbonate de sodium et 42.7% de chlorure de sodium).
Plus récemment, il a été proposé (voir notamment le document US - 4 492 604 publié en 1985) un bain de nitruration dont la teneur en cyanures est comprise entre 0.01% et 3%. Il est indiqué que, du fait de la forte action réductrice des cyanures dans des bains de nitruration vers 550°C-650°C, alors que les cyanates ont tendance à dégager de l'oxygène, les bains de nitruration à faible teneur en cyanures ont tendance à oxyder les couches de nitruration et faire apparaître des revêtements inacceptables. Pour éviter la formation de tels défauts, il est enseigné d'inclure jusqu'à 100 ppm de sélénium, en combinaison avec une composition appropriée des creusets (sans fer).
Il a aussi été proposé de durcir des pièces ferreuses en utilisant un bain contenant de fortes teneurs en chlorures (voir le document EP - 0 919 642 publié en 1999), mais ce bain sert en fait à compléter une action de nitruration, étant destiné à permettre une introduction de chrome (présent dans ce bain en complément des chlorures, avec de la silice) dans une couche de nitruration préalablement formée.
Pour nitrurer des pièces ferreuses, il a été proposé par le document US - 6 746 546 (publié en 2004) un bain de sels fondus contenant des cyanates de métal alcalin et des carbonates de métal alcalin, avec de 45% à 53% d'ions cyanates (de préférence entre 48% et 50%), maintenu entre 750°F et 950°F, c'est-à-dire entre 400°C et 510°C, en vue de conférer une bonne résistance à la corrosion. Les métaux alcalins étaient avantageusement du sodium et/ou du potassium (lorsqu'ils étaient tous les deux présents, la teneur en potassium était de préférence de 3.9 :1 par rapport à la teneur en sodium) ; en service, ce bain contenait de 1% à 4% de cyanures (aucune précision n'était donnée quant à la présence d'éventuels autres éléments dans le bain).
Encore plus récemment, en vue de minimiser l'entraînement des sels fondus à la sortie de pièces ferreuses nitrurées, le document US - 7 217 327 a proposé un bain de nitruration essentiellement constitué de cations de types Li, Na et K et d'anions carbonates et cyanates. Il apparaît ainsi que diverses compositions de bains de sels fondus ont été proposées en vue de permettre une nitruration de pièces ferreuses sans mettre en œuvre de teneurs significatives en cyanures.
Toutefois, en règle générale, les traitements de nitruration à faible teneur en cyanures (moins de 3%, typiquement) doivent être suivis d'un traitement de finition dès lors que l'on recherche une faible rugosité, ce qui contribue à augmenter le coût de traitement (main d'œuvre, équipements de polissage) ainsi que la durée globale de traitement.
Une faible rugosité peut être obtenue avec des bains de nitruration à forte teneur en cyanures (plus de 5 %), mais après des durées de plusieurs heures (typiquement 4 à 6 heures), ce qui peut paraître trop long à l'échelle industrielle.
L'invention a pour objet un bain de nitruration à faible teneur en cyanures capable, en au plus de l'ordre de quelques heures, de nitrurer des pièces mécaniques en fer ou en acier tout en leur conférant une rugosité très faible (donc sans porosité significative), rendant inutile une reprise mécanique ultérieure (par polissage ou tribofinition), le tout pour un coût modéré.
L'invention propose à cet effet un bain de nitruration essentiellement constitué (les teneurs sont exprimées en poids) :
- de 25% à 60% de chlorures de métal alcalin,
- de 10% à 40% de carbonates de métal alcalin, et
- de 20% à 50% de cyanates de métal alcalin,
- un maximum de 3% d'ions cyanures (formés en service), le total des teneurs étant de 100%.
Il mérite d'être noté que les plages de composition sont généralement données pour un bain neuf, mais que l'on cherche en pratique à rester autant que possible dans ces plages ; ainsi, il n'y a en pratique aucun ion cyanure dans le bain de départ, et c'est en service qu'on cherche à rester à pas plus de 3% d'ions cyanures.
La présence selon l'invention de composés chlorés en quantité significative (NaCI, KCI, LiCl, ...) permet d'obtenir lors de la nitruration des couches non poreuses, non poudreuses et donc peu rugueuses, après des durées de traitement d'à peine de l'ordre d'une à deux heures ; les chlorures étant moins chers que les autres composants habituels des bains de nitruration, un bain selon l'invention est donc plus économique qu'un bain standard, tout en évitant d'avoir recours à un traitement ultérieur de polissage. On peut rappeler que des temps de traitement d'au plus de l'ordre de deux heures (2h +/-5mn) sont considérés comme des temps compatibles avec des rendements satisfaisants à l'échelle industrielle.
On peut noter que, dans les bains utilisés dans le passé, il avait déjà été proposé de combiner des cyanates et des carbonates avec des chlorures dans des bains de nitruration, y compris lorsqu'ils sont sensiblement dépourvus de cyanures, mais les chlorures (dont aucun rôle n'était reconnu dans la nitruration) n'apparaissaient pas en pratique à des teneurs supérieures à 10- 15% en l'absence de cyanures (ou avec des teneurs faibles en ions cyanures, typiquement inférieures ou égales à 3%). En outre, aucun document n'avait suggéré la moindre corrélation entre la présence de chlorures et la rugosité finale.
De manière avantageuse, les chlorures de métal alcalin sont des chlorures de lithium, de sodium et/ou de potassium, ce qui correspond à des chlorures qui se sont révélés efficaces, tout en ayant un coût modéré, et ne nécessitant pas de contraintes lourdes du point de vue manutention.
De manière avantageuse, la teneur en chlorures est comprise entre 40% et 50%, de préférence au moins approximativement égale à 45% {+1-2%, voire +/- 1 %). Cette plage de teneurs s'est révélée aboutir, en un temps raisonnable, à une bonne nitruration et à une rugosité faible.
On comprend que :
- la teneur en cyanates doit être suffisante pour permettre un effet de nitruration,
- la teneur en carbonates ne doit pas devenir trop importante au risque d'empêcher les réactions chimiques qui conduisent à la nitruration. C'est ainsi que, de manière également avantageuse, la teneur en cyanates est comprise entre 20% et 40%, voire entre 20% et 35%, de préférence comprise entre 20% et 30%. De manière encore plus avantageuse, cette teneur est comprise entre 25% et 40%, voire entre 25% et 35%, de préférence comprise entre 25% et 30%. Ces cyanates peuvent notamment être des cyanates de sodium (ou des cyanates de potassium).
De manière également avantageuse, la teneur en carbonates de métal alcalin est de 20% à 30%, de préférence comprise entre 25% et 30%. Ces carbonates peuvent notamment être des carbonates de sodium, de potassium et/ou de lithium ; il s'agit avantageusement d'un mélange de carbonates de sodium et de lithium.
Ainsi, de manière particulièrement avantageuse, le bain de sels fondus est essentiellement constitué de (à +/- 2%, voire +/- 1% près) :
- 25% à 30% de cyanate de sodium,
- 25% à 30% de carbonates de sodium et de lithium,
- 40% à 50% de chlorures de potassium,
- un maximum de 3% d'ions cyanures (formés en service), la somme de ces teneurs étant de 100%.
De manière préférée, le bain de sels fondus est essentiellement constitué, avant formation de cyanures jusqu'à un maximum de 3, de (à +/- 2%, voire +/- 1% près) :
- 28% de cyanate de sodium,
- 22% de carbonate de sodium,
- 5% de carbonate lithium,
- 45% de chlorure de potassium,
ce qui s'est révélé être un très bon compromis entre cinétique de nitruration, prix du mélange constitutif du bain, variations de rugosité à la surface des pièces traitées, point de fusion, risque d'entraînement des sels à la surface des pièces traitées. Bien entendu, en service cette composition peut varier légèrement, compte tenu des réactions qui ont lieu (avec notamment la formation d'ions cyanures dont la teneur est maintenue à au plus 3%) L'invention propose également un procédé de nitruration de pièces mécaniques en fer ou en acier, selon lequel on immerge ces pièces dans un bain de composition précitée, à une température comprise entre 530°C et 650°C pendant au plus 4h.
De manière préférée, les pièces sont immergées dans le bain à une température comprise entre 570°C et 590°C pendant au plus 2h.
En pratique, la durée d'un traitement de nitruration est classiquement de l'ordre de 90 minutes, mais on comprend que la durée de traitement dépend de la nature et/ou de la destination des pièces ; c'est ainsi qu'on peut aller de quelques 30 minutes pour des soupapes ou des aciers à outils, jusqu'à 4 h lorsque l'on cherche à nitrurer sur des épaisseurs importantes (couches de plusieurs dizaines de micromètres d'épaisseur), ou dans le cas d'aciers alliés. Toutefois, l'invention est avantageusement mise en œuvre avec des temps de traitement de l'ordre de 60 à 120 minutes.
L'invention concerne également des pièces mécaniques en fer ou en acier nitrurées selon le procédé précité, reconnaissables notamment par l'absence de traces de procédé ultérieur de finition mécanique tel que polissage (notamment l'absence de fines rayures de polissage).
Dans la suite, les compositions testées sont comparées à des bains standard (qui sont les mêmes pour les divers exemples) qui ne sont pas conformes à l'invention.
Exemple 1 (conforme à l'invention)
Des échantillons en un acier de type C45 recuit, pouvant être utilisé pour des axes d'essuie-glace, des tiges de vérin hydraulique ou à gaz, ou des bagues d'articulation, ont été traités comme suit.
Ces échantillons ont fait l'objet d'un dégraissage dans une solution alcaline, d'un rinçage à l'eau puis d'un préchauffage à 350°C.
Ils ont ensuite été immergés, pendant 60 min, dans un bain de sels fondus maintenu à 580°C et contenant :
- 28% de cyanate de sodium,
- 22% de carbonate de sodium, et - 45% de chlorures de potassium
- 5% de carbonate de lithium.
Les échantillons ainsi nitrurés ont ensuite été rincés à l'eau.
Des échantillons identiques ont fait l'objet du même traitement, à ceci près que le traitement de nitruration de 60 mn à 580°C a été fait dans un bain de nitruration standard (non-conforme à l'invention) essentiellement constitué de :
- 58% de cyanate de sodium,
- 36% de carbonate de potassium, et
- 6% de carbonate de lithium
Dans les deux cas, la couche de nitrures de fer ainsi formée a eu une épaisseur de 10+/-1 pm.
Il a été constaté que, la rugosité des échantillons ayant été initialement de Ra = 0.2 micromètres, elle est devenue Ra = 0.52 micromètres après le traitement dans un bain standard mais Ra = 0.25 micromètres après le traitement dans le bain selon l'invention, c'est-à-dire une rugosité à peine supérieure à la rugosité de départ.
La composition conforme à l'invention de cet exemple est apparue être favorable à une bonne stabilité du bain au cours du temps, en particulier en ce qui concerne le taux de cyanures.
Les échantillons ainsi nitrurés ont été ensuite oxydés dans un bain de sels fondus contenant des carbonates, des hydroxydes et des nitrates de métaux alcalins. Le but de cette oxydation a été de passiver la surface de la couche de nitrure en formant une couche d'oxyde de fer de 1 à 3 μιτι d'épaisseur. Après oxydation, les pièces ont été immergées dans une huile de protection contre la corrosion (contenant des inhibiteurs de corrosion) comme il est d'usage avec les procédés de nitruration.
La résistance à la corrosion (mesurée sur 10 pièces en brouillard salin neutre suivant la norme ISO 9227) des échantillons traités suivant l'invention a été comprise entre 150 et 250 heures. La résistance à la corrosion (mesurée sur 10 pièces en brouillard salin neutre suivant la norme ISO 9227) des échantillons traités dans le bain standard a été comprise entre 1 0 et 290 heures.
Une nitruration de pièces ferreuses réalisée suivant l'invention permet donc bien d'obtenir une résistance à la corrosion comparable à celle obtenue avec une nitruration en bain standard, tout en améliorant la rugosité des surfaces, par rapport à un traitement dans un tel bain standard.
Exemple 2 (non-conforme à l'invention)
Des échantillons en acier C45 recuits, préparés comme précédemment, ont été nitrurés pendant 1 heure à 590°C dans un bain contenant :
- 20 % de chlorures de métal alcalin (NaCI, KCI)
- 40 % de cyanate de sodium
- 30 % de carbonate de potassium
- 10 % de carbonate de lithium
Dans les deux cas, la couche formée a une épaisseur de 10 +/- 1 μιη Il a été constaté que, la rugosité des échantillons ayant été initialement de Ra = 0.2 micromètres, elle est devenue Ra = 0.48 micromètres après le traitement dans ce bain contre Ra = 0.52 micromètres après le traitement dans un bain standard.
Cela conduit à conclure qu'une teneur trop faible en chlorures ne permet pas de faire baisser la rugosité finale des pièces de façon significative par rapport à un bain standard (non conforme à l'invention).
Exemple 3 (non-conforme à l'invention)
Il a été préparé un bain contenant
- 65 % de chlorure de sodium
- 25 % de cyanate de potassium
- 10 % de carbonate de potassium.
Un tel bain s'est révélé non utilisable industriellement puisque sa température de fusion est supérieure à 600°C, ce qui empêche de réaliser tout traitement de nitruration en phase ferritique (la majorité des pièces est généralement nitrurée en phase ferritique, c'est à dire à une température inférieure à 600°C). Seule la nitruration en phase austénitique est alors envisageable, mais uniquement pour des températures supérieures à 630°C et avec un fort taux d'entraînement de sels (viscosité du bain élevée), ce qui est économiquement peu intéressant.
Exemple 4 (conforme à l'invention)
Le traitement d'échantillons en C45 recuits, dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1 , mais dans un bain contenant
- 35 % de cyanate de sodium
- 20 % de carbonate de sodium
- 20 % de carbonate de potassium
- 25 % de chlorure de potassium
a permis d'obtenir une rugosité finale de Ra = 0.28 μηι contre Ra = 0.52 μιη dans un bain standard (non-conforme à l'invention), à la surface de couches de nitruration de 10+/- 1 micromètre.
Quoique satisfaisante du point de vue rugosité, cette composition est apparue avoir une viscosité plus importante que la composition de l'exemple 1 , ce qui se traduit par une consommation de sels plus importante.
Le taux de porosité des couches de nitrures obtenues suivant l'invention est inférieur à 5 %, alors que le taux de porosité des couches de nitrures obtenues avec un bain standard est compris entre 25 et 35 %.
Exemple 5 (non-conforme à l'invention)
Il a été préparé un bain contenant
- 45 % de chlorure de potassium
- 10 % de cyanate de sodium
- 45 % de carbonate de sodium.
Un tel bain s'est révélé non utilisable pour un traitement de nitruration puisque sa température de liquidus est supérieure à 600 °C. Il est rappelé que la température du liquidus est la température à partir de laquelle le bain est entièrement fondu et homogène en composition (à la différence de la température de fusion qui est la température à partir de laquelle le bain commence à être liquide, éventuellement en plusieurs phases.
Comme expliqué dans l'exemple 3, un tel bain ne peut être utilisé industriellement de façon avantageuse car il rend impossible tout traitement en phase ferritique et les entraînements de sels entre 600 et 650°C sont très importants.
Exemple 6 (conforme à l'invention)
Le traitement d'échantillons en C45 recuits, dans des conditions similaires à celles de l'exemple 1 , mais dans un bain contenant :
- 45 % de chlorure de potassium
- 30 % de cyanate de sodium
- 25 % de carbonate de sodium
permet d'obtenir, comme dans l'exemple 1 , une rugosité finale de Ra = 0.25 μιη (à peine supérieure à la rugosité initiale de Ra = 0.2 μητι, contre Ra = 0.52 pm dans un bain standard (non-conforme à l'invention).
La couche de nitrure de fer formée dans le bain suivant l'invention est de type ε (Fe2-3N) et a un taux de porosité inférieur à 5 % (mesuré par microscopie optique) et a une dureté de 840 ± 40 HV0,oi■
La couche de nitrure de fer formée dans le bain standard (non- conforme à l'invention) est de type ε (Fe2-3N) et a un taux de porosité compris entre 25 et 35 % (mesuré par microscopie optique) et a une dureté de 700 ± 40 HVo.oi- Une plus faible dureté apparente des couches obtenues avec un bain standard s'explique par leur taux de porosité plus important. En effet, il est bien connu que la présence de porosité (c'est à dire des trous) réduit la résistance des couches à la pénétration de l'indenteur utilisé pour la mesure de dureté.
Dans les deux cas, la couche formée a une épaisseur de 10 +/- 1 μιτι
Exemple 7 (conforme à l'invention)
Des échantillons en C45 usinés par frappe à froid puis ayant subi une trempe hyper fréquence avec une rugosité initiale de Ra = 0,74 μηι ont été nitrurés (après une préparation similaire à celle de l'exemple 1) pendant deux heures à 590°C dans un bain identique à celui de l'exemple 1 , contenant :
- 28 % de cyanate de sodium
- 22 % de carbonate de sodium
- 45 % de chlorure de potassium
- 5 % de carbonate de lithium
Une couche de 20 +/- 1 μιτι a été formée avec une rugosité finale de Ra = 0,79 μιη. En comparaison, des échantillons identiques qui ont été traités pendant la même durée, deux heures, dans un bain standard (non-conforme à l'invention) ont une couche une rugosité finale de Ra = 1 ,23 μιτι pour une couche de 17 +/- 1 μηι d'épaisseur.
Le taux de porosité des couches de nitrures obtenues suivant l'invention est compris entre 5 et 10 %, alors que le taux de porosité des couches de nitrures obtenues avec un bain standard est compris entre 55 et 65 %. Il est connu que les aciers ayant subi une frappe à froid ont un taux d'écrouissage important qui a un effet néfaste sur la porosité des couches (plus le taux d'écrouissage est important, plus les couches sont poreuses). L'invention permet d'obtenir des couches avec un faible taux de porosité, même pour des aciers fortement écrouis.
Les échantillons ainsi nitrurés ont été ensuite oxydés dans un bain de sels fondus contenant des carbonates, des hydroxydes et des nitrates de métaux alcalins. Le but de cette oxydation est de passiver la surface de la couche de nitrure en formant une couche d'oxyde de fer de 1 à 3 μητι d'épaisseur. Après oxydation, les pièces sont immergées dans une huile de protection contre la corrosion (contenant des inhibiteurs de corrosion) comme il est d'usage avec les procédés de nitru ration.
La résistance à la corrosion (mesurée sur 10 pièces en brouillard salin neutre suivant la norme ISO 9227) des échantillons traités suivant l'invention est comprise entre 310 et 650 heures.
La résistance à la corrosion (mesurée sur 10 pièces en brouillard salin neutre suivant la norme ISO 9227) des échantillons traités dans un bain standard est comprise entre 240 et 650 heures. Exemple 8 (conforme à l'invention)
Des échantillons en 42CrMo4 trempés-revenus puis rectifiés avec une rugosité initiale de Ra = 0,34 μιη ont été nitrurés (après une préparation similaire à celle de l'exemple 1 ) comme ceux de l'exemple 7, c'est-à-dire pendant deux heures à 590°C dans un bain identique à celui de l'exemple 1 , contenant :
- 28 % de cyanate de sodium
- 22 % de carbonate de sodium
- 45 % de chlorure de potassium
- 5 % de carbonate de lithium
Une couche de nitrure de fer de 16 +/- 1 pm a été formée avec une rugosité finale de Ra = 0,44 pm. En comparaison, des échantillons identiques qui ont été traités deux heures dans un bain standard (non-conforme à l'invention) ont une couche de nitrurés de fer avec une rugosité finale de Ra = 0,85 pm pour une couche de 14 +/- 1 pm d'épaisseur.
La couche de nitrure de fer formée dans le bain suivant l'invention est de type ε (Fe2-3N) et a un taux de porosité inférieur à 5 % (mesuré par microscopie optique) et a une dureté de 1020 ± 40 HV0,oi-
La couche de nitrure de fer formée dans le bain standard est de type ε (Fe2-3N) et a un taux de porosité compris entre 30 et 40 % (mesuré par microscopie optique) et a une dureté de 830 ± 40 HV0,oi■ Une plus faible dureté apparente des couches obtenues avec un bain standard s'explique par leur taux de porosité plus important. En effet, il est bien connu que la présence de porosité (c'est à dire des trous) réduit la résistance des couches à la pénétration de l'indenteur utilisé pour la mesure de dureté.
Exemple 9 (conforme à l'invention)
Des échantillons en C45 recuits avec une rugosité initiale de Ra = 0,20 pm ont été préparés et nitrurés comme dans l'exemple 1 , c'est à dire pendant 1 heure à 580°C dans un bain contenant :
- 28 % de cyanate de sodium - 22 % de carbonate de sodium
- 45 % de chlorure de potassium
- 5 % de carbonate de lithium
Une couche de 10 +/- 1 μηι a été formée avec une rugosité finale de Ra = 0,25 μηΊ. En comparaison, des échantillons identiques qui ont été traités trois heures dans un bain standard fonctionnant avec un taux de cyanures élevé (5,2 %) ont une couche une rugosité finale de Ra = 0,27 μιη pour une couche de 7 +/- 1 μηη d'épaisseur.
Il apparaît ainsi qu'à rugosité finale équivalente, bien que le temps de traitement soit plus important, l'épaisseur des couches obtenues dans un bain standard à taux de cyanure élevé est plus faible que l'épaisseur des couches obtenues dans un bain suivant l'invention. Ceci est expliqué par le fait que, en plus d'être plus polluant, un bain à forte teneur en cyanure est également carburant, c'est à dire que du carbone va diffuser conjointement à l'azote dans l'acier. Or, le carbone et l'azote sont en compétition lors de la diffusion puisqu'ils occupent les mêmes sites dans le réseau cristallin du fer. La présence de carbone limitera donc la diffusion de l'azote, ce qui entraînera des couches de plus faible épaisseur.
Comme indiqué ci-dessus, les compositions indiquées dans les exemples précités définissent le bain neuf, étant précisé que les indications de teneurs pour les ions cyanures valent en service, compte tenu des réactions intervenant lors de la nitruration (on cherche alors à maintenir la composition du bain aussi stable que possible).

Claims

REVENDICATIONS
1. Bain de sels fondus pour la nitruration de pièces mécaniques en acier, essentiellement constitué (les teneurs sont exprimées en poids) :
- de 25% à 60% de chlorures de métal alcalin,
- de 10% à 40% de carbonates de métal alcalin, et
- de 20% à 50% de cyanates de métal alcalin,
- d'un maximum de 3% d'ions cyanures,
le total des teneurs étant de 100%.
2. Bain de sels fondus selon la revendication 1 , dans lequel les chlorures de métal alcalin sont des chlorures de lithium, de sodium et/ou de potassium.
3. Bain de sels fondus selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la teneur en chlorures de métal alcalin est comprise entre 40% et 50%.
4. Bain de sels fondus selon la revendication 3, dans lequel la teneur en chlorures de métal alcalin est au moins approximativement égale à 45%.
5. Bain de sels fondus selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la teneur en cyanates de métal alcalin est comprise entre 20% et 40%.
6. Bain de sels fondus selon la revendication 5, dans lequel la teneur en cyanates de métal alcalin est comprise entre 25% et 30%.
7. Bain de sels fondus selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la teneur en carbonates de métal alcalin est comprise entre 20% et 30%.
8. Bain de sels fondus selon la revendication 7, dans lequel la teneur en carbonate de métal alcalin est comprise entre 25% et 30%.
9. Bain de sels fondus selon la revendication 1 ou la revendication 2, essentiellement constitué de :
- 25% à 30% de cyanate de sodium,
- 25% à 30% de carbonates de sodium et de lithium,
- 40% à 50% de chlorures de potassium,
- un maximum de 3% d'ions cyanures, la somme de ces teneurs étant de 100%.
10. Bain de sels fondus selon la revendication 9, essentiellement constitué, avant formation d'ions cyanures jusqu'à un maximum de 3%, de :
- 28% de cyanate de sodium,
- 22% de carbonate de sodium,
- 5% de carbonate de lithium,
- 45% de chlorure de potassium.
11. Procédé de nitruration de pièces mécaniques en fer ou en acier, selon lequel on immerge ces pièces dans un bain de composition précitée, à une température comprise entre 530°C et 650°C pendant au plus 4h.
12. Procédé selon la revendication 11 , selon lequel les pièces sont immergées dans le bain à une température comprise entre 570°C et 590°C pendant au plus 2h.
13. Pièce mécanique en acier nitrurée obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, ne présentant pas de trace de procédé ultérieur de finition mécanique tel que polissage.
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