EP3218530A1 - Procédé et installation de carbonitruration de pièce(s) en acier sous basse pression et haute température - Google Patents

Procédé et installation de carbonitruration de pièce(s) en acier sous basse pression et haute température

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EP3218530A1
EP3218530A1 EP15805560.8A EP15805560A EP3218530A1 EP 3218530 A1 EP3218530 A1 EP 3218530A1 EP 15805560 A EP15805560 A EP 15805560A EP 3218530 A1 EP3218530 A1 EP 3218530A1
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EP
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temperature
nitrogen
chamber
enriched
piece
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Jerome Lardinois
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    • C21D1/06—Surface hardening

Definitions

  • the invention relates to certain thermochemical treatments which are intended to reinforce steel parts, and more specifically the carbonitriding of such steel parts.
  • carbonitriding is a thermochemical diffusion treatment which consists of enriching the surface of a steel with carbon and nitrogen, before a quenching step, so as to obtain a martensitic structure and reinforcement.
  • Nitrogen enrichment here carried out in the austenitic phase, is called ⁇ -phase nitriding, and the carbon enrichment is called cementation.
  • A-phase nitriding (or austenitic phase) is intended to improve the fatigue strength and the stability of the metallurgical structure of the steel by penetration of nitrogen.
  • the carburizing is to penetrate carbon in a steel piece to increase its ability to be soaked and thus allow an increase in its hardness on the surface, and its resistance to fatigue and wear.
  • Quenching is rapid cooling in a liquid or gaseous medium which causes the appearance of a martensitic structure having a very high hardness.
  • the known carbonitriding treatments are long and give non-optimal metallurgical results because they result from compromise. Indeed, they use relatively low treatment temperatures (typically about 850 ° C) to optimize nitrogen enrichment (and more precisely to prevent the major part of ammonia (NH 3 ) nitriding in phase a does not crack even before touching the room), but at the expense of carbon enrichment (which requires higher temperatures) and treatment time (which has to be increased due to the relatively low treatment temperature).
  • relatively low treatment temperatures typically about 850 ° C
  • the invention is therefore particularly intended to improve the situation.
  • each piece is heated to a first chosen temperature, in an environment containing a neutral gas and under a selected pressure,
  • the temperature of the room being hotter than that at which nitriding is carried out in phase a it is thus possible to prevent the nitriding gas from instantly cracking on contact with it and thus making it much more available for nitrogen enrichment. In addition, this allows a better diffusion of nitrogen in the room and therefore an increase in its concentration.
  • carburizing being performed at a temperature higher than that of nitriding in phase a, the carbon enrichment of the part is thus more efficient and faster.
  • the carbon enrichment stage is carried out in a chamber different from that in which the nitrogen enrichment stage is carried out, this makes it possible to vary the temperature very rapidly between the stages of enrichment with nitrogen and with carbon.
  • the method according to the invention may comprise other characteristics that can be taken separately or in combination, and in particular:
  • the neutral gas may be dinitrogen (or N 2 );
  • the pressure in the first step, can be between about 1 bar and about 1.5 bar. But it could be noticeably lower, and for example similar to the low pressure used in the second and third stages;
  • the first temperature may be between about 800 ° C and about 1100 ° C;
  • the second temperature may be between about 700 ° C. and about 880 ° C.
  • the part in the second step, can be enriched in nitrogen by nitriding in phase a with ammonia;
  • the third temperature may be between about 900 ° C and about 1100 ° C;
  • the carbon part in the third step, can be enriched by cementation with acetylene
  • the quenching pressure can be between about 1 bar and about 20 bar;
  • the quenching can be carried out in an environment containing a chosen gas.
  • the invention also proposes an installation, dedicated to the carbonitriding of steel parts, and comprising:
  • At least one clean heating chamber for heating at least one steel part at a first selected temperature, in an environment containing a neutral gas and under a selected pressure
  • At least one first enrichment chamber capable of enriching the heated part with nitrogen, by nitriding in phase a under a second chosen temperature lower than or equal to the first temperature
  • At least one second enrichment chamber capable of enriching the nitrogen-enriched part with carbon by carburising at a third temperature chosen strictly greater than the second temperature
  • at least one quenching chamber capable of dipping under pressure the part enriched in nitrogen and in carbon
  • a transfer chamber communicating in a controlled manner with each of the chambers and suitable for temporarily accommodating the room in an environment where a controlled atmosphere prevails
  • transfer means capable of transferring the part of a chamber to another chamber via the transfer lock.
  • FIG. 1 diagrammatically and functionally illustrates an exemplary embodiment of a carbonitriding installation according to the invention
  • FIG. 2 schematically illustrates an example of an algorithm implementing a carbonitriding process according to the invention.
  • the object of the invention is notably to propose a method, and an associated installation IC, intended to allow the carbonitriding of high temperature and low pressure steel parts (s) PA.
  • the PA steel parts are intended to equip a vehicle, possibly of automotive type.
  • it may be parts of gearboxes, transmission parts, or various gears.
  • the invention is not limited to this application. It concerns indeed any steel part intended to equip a device, an apparatus, a system (and in particular a vehicle, whatever its type), or an installation (possibly of industrial type).
  • it also concerns and in particular certain transmission elements in the aeronautical field, and in general the parts that are mechanically stressed in wear and fatigue.
  • a method for carbonitriding a piece (s) of PA steel comprises at least first, second, third and fourth stages.
  • a carbonitriding installation IC comprises at least one heating chamber CC, at least one first enrichment chamber CE1, at least one second enrichment chamber CE2, at least one CT quench chamber, ST transfer lock, and MT transfer means.
  • the transfer lock ST includes a controlled access ES input through which each piece (steel) PA to be treated is introduced, and a controlled access SS output through which the processed PA piece is extracted.
  • the ES input and the SS output each comprise a single or double sliding door, sealed, electrically controlled or pneumatic, and ensuring the sealed interface.
  • This transfer lock ST communicates in a controlled manner with each of the chambers CC, CE1, CE2 and CT, and is able to temporarily accommodate the piece PA, during each of its transfers from one room to another, in an environment where a controlled atmosphere exists to prevent its oxidation.
  • This controlled atmosphere can be a chosen vacuum, preferably between about 2 millibars and about 50 millibars, and it can be neutral (for example defined by a neutral gas such as dinitrogen (or N 2 )).
  • each PA piece is preferably placed on a tray that can accommodate one or more pieces to be treated.
  • the following is considered as treating only one piece PA at a time.
  • the (each) heating chamber CC is arranged to heat a room PA at a first selected temperature T1, in an environment that contains a neutral gas and under a selected pressure P1. It comprises access control means, such as for example a single or double sliding door, sealed, electrically controlled or pneumatic, and providing the sealed interface with the ST transfer lock.
  • the neutral gas may be dinitrogen (or N 2 ).
  • the pressure P1 may be substantially equal to the atmospheric pressure. Thus, it may, for example, be between about 1 bar and about 1.5 bar. But in a more economical variant, this pressure P1 can be similar (or identical) to the bass pressure that is used in the enrichment chambers CE1 and CE2 (typically a few millibars).
  • the first temperature T1 is between about 800 ° C and about 1100 ° C.
  • it can be chosen equal to 1050 ° C.
  • the (each) first enrichment chamber CE1 is arranged so as to enrich in nitrogen, under a low pressure, the part PA which has been heated in the (a) heating chamber CC, by nitriding in phase a under a second temperature T2 chosen less than or equal to the first temperature T2 (ie T2 ⁇ T1).
  • this second temperature T2 is strictly lower than the first temperature T2 (ie T2 ⁇ T1).
  • access control means such as for example a single or double sliding door, sealed, electrically controlled or pneumatic, and providing the sealed interface with the ST transfer lock.
  • the second temperature T2 is between about 700 ° C and about 880 ° C.
  • it could be chosen equal to 830 ° C.
  • ammonia (or NH 3 ) gas for example, ammonia (or NH 3 ) gas.
  • This gas constitutes the atmosphere inside the first enrichment chamber CE1.
  • the (each) second enrichment chamber CE2 is arranged so as to enrich in carbon, under a low pressure, the part PA which has been enriched in nitrogen in the (a) first enrichment chamber CE1, by cementation under a third temperature T3 chosen strictly greater than the second temperature T2 (ie T3> T2). It comprises access control means, such as for example a single or double sliding door, sealed, electrically controlled or pneumatic, and providing the sealed interface with the ST transfer lock.
  • the third temperature T3 is from about 900 ° C to about 1100 ° C.
  • it can be chosen equal to 1050 ° C.
  • acetylene (or C 2 H 2 ) gas for example, acetylene (or C 2 H 2 ) gas.
  • This gas constitutes the atmosphere inside the second enrichment chamber CE2.
  • carburizing gases including propane.
  • the (each) quenching chamber CT is arranged so as to dip under pressure the part PA which has been enriched in nitrogen and carbon in the first (s) CE1 and second (s) enrichment chambers.
  • This quenching is preferably carried out at a fourth temperature T4 chosen close to ambient temperature and under a pressure P2 which is greater than or equal to atmospheric pressure.
  • access control means such as for example a single or double sliding door, sealed, electrically controlled or pneumatic, and providing the sealed interface with the ST transfer lock.
  • the quenching pressure P2 may be between about 1 bar and about 20 bar. Thus, it may, for example, be chosen equal to about 15 bars for steels containing little alloy.
  • Quenching can be performed by immersion in an environment that contains a selected gas, such as nitrogen or helium.
  • the quenching gas then constitutes the atmosphere inside the quenching chamber CT.
  • the quenching may be performed by immersion in an environment that contains a selected liquid, such as oil or a polymer.
  • the transfer means MT are arranged to transfer the piece PA from one chamber to another chamber via the transfer lock ST. They comprise, for example, a motorized trolley (preferably electrically), comprising a plate adapted to support at least one part PA, and mounted in translation on rails which are fixedly installed in the transfer lock ST and which communicate with the outside ( via the ES input and SS output of the transfer lock ST) and with the different chambers CC, CE1, CE2 and CT to allow the transfer of the part PA.
  • a first step of the method according to the invention is carried out once at least one piece PA has been installed in the (a) heating chamber CC by means of the transfer means MT (arrows F1 and F2 of FIG. ). This installation corresponds to the substep 10 of the exemplary algorithm of FIG.
  • the piece PA is heated to the first temperature T1 selected, in an environment containing a neutral gas (such as, for example, nitrogen, as mentioned above), and under a selected pressure P1 (possibly substantially equal to the atmospheric pressure).
  • a neutral gas such as, for example, nitrogen, as mentioned above
  • Such heating in a neutral atmosphere and at a low pressure makes it possible to have a heating rate of the part PA substantially faster than in the case of heating under vacuum. For example, to raise the temperature of a PA piece to about 1050 ° C in a neutral atmosphere and under about 1 bar, it takes about an hour, while it takes about an hour and a quarter under vacuum. This allows the DC heating chamber to be released more quickly.
  • the first step corresponds to the substep 20 of the exemplary algorithm of FIG.
  • a second step, of the process according to the invention, is carried out once the part PA has been heated to the first temperature T1 in the heating chamber CC, then installed in the (a) first enrichment chamber CE1 by means of the MT transfer means (arrows F2, F3 and F4 of Figure 1).
  • the heated PA part is enriched in nitrogen, under low pressure (typically a few millibars), by nitriding in phase a under the second selected temperature T2 (lower than or equal to the first temperature T1, and preferably lower than to T1).
  • the temperature T1 of the part PA is preferably initially warmer than the temperature T2 at which the nitriding in phase a is carried out, it is avoided that the nitriding gas is instantly cracked at its temperature. contact and therefore this gas is made much more available for nitrogen enrichment. In addition, this allows a better diffusion of the nitrogen in the piece PA and thus an increase of its concentration, according to the law of Fick.
  • maximum enrichment of the PA piece with nitrogen is expected between about 800 ° C. and about 850 ° C., when ammonia is used as the nitriding gas. Indeed from about 900 ° C, ammonia cracked 99% instantly in the atmosphere and is no longer available to enrich the PA piece of nitrogen.
  • duration of the nitriding in phase a may be equal to approximately ten minutes. This duration is a function of the amount of nitrogen that it is desired to introduce into the piece PA.
  • the temperature of the part PA has become slightly lower than T1 because the nitriding temperature in the ⁇ phase T2 is strictly less than T1. For example, if T1 is 1050 ° C and the a-phase nitriding temperature a is 830 ° C, the temperature of the nitrogen-enriched PA piece is about 1010 ° C after 10 minutes. phase nitriding a.
  • the second step corresponds to the substep 30 of the exemplary algorithm of FIG. 2.
  • a third step, of the process according to the invention, is carried out once the piece PA has been enriched with nitrogen in the first enrichment chamber CE1, and then installed in the (a) second enrichment chamber CE2 by means of the MT transfer (arrows F4, F5 and F6 of Figure 1).
  • this third step is enriched in carbon, under low pressure (typically a few millibars), the PA piece already enriched in nitrogen, by carburizing under the third temperature T3 chosen (strictly greater than the second temperature T2).
  • duration of the third step may be equal to about fifteen minutes (ten minutes for effective cementation under acetylene, then five minutes for the complete diffusion of carbon in the piece PA under nitrogen). This duration is a function of the desired processing depth in the piece PA.
  • the temperature of the workpiece PA has become equal to T3 because the carburizing temperature T3 is strictly greater than that it has at the outlet of the first enrichment chamber CE1.
  • the third step corresponds to the sub-step 40 of the exemplary algorithm of FIG. 2.
  • a fourth step of the process according to the invention is carried out once the part PA has been enriched in nitrogen and carbon in the first CE1 and second CE2 enrichment chambers, and then installed in the (one) quench chamber CT by means of the transfer means MT (arrows F6, F7 and F8 of Figure 1).
  • the PA piece enriched in nitrogen and carbon is quenched (or rapidly cooled) under pressure P2.
  • the fourth quenching temperature T4 is for example the ambient temperature, typically equal to about 20 ° C.
  • the quenching pressure P2 used is preferably between about 1 bar and about 20 bars. These much larger values than the low pressure used in the second and third steps can increase the cooling rate. A very fast speed makes it possible to transform the enriched austenite into nitrogen and carbon in order to form martensite and substantially increase the hardness of the PA component.
  • the duration of the quenching can be between about 2 minutes and about 5 minutes. This duration is mainly a function of the dimensions of the PA parts to be treated and the initial chemical composition of the steel.
  • the fourth step corresponds to the sub-step 50 of the exemplary algorithm of FIG. 2.
  • the piece PA is taken out of the heating chamber CC and the transfer lock ST (via its output SS) by the transfer means MT (arrows F8 and F9 of FIG. 1).
  • the carbonitriding installation IC may optionally comprise at least one other heating chamber CC to allow an almost continuous supply of the first enrichment chamber CE1 in which the treatment time is significantly shorter the heating time, and / or at least one other first enrichment chamber CE1 for treating a plurality of PA pieces in parallel and / or for performing an additional nitrogen enrichment, and / or at least one second second enrichment chamber CE2 for treating a plurality of PA pieces in parallel and / or for performing additional carbon enrichment, and / or at least one other quenching chamber CT for treating a plurality of PA pieces in parallel.
  • the invention has several advantages, among which:

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Abstract

Une installation de carbonitruration (IC) comprend une chambre de chauffage (CC), pour chauffer au moins une pièce en acier (PA) à une première température, sous un gaz neutre et une pression choisie, une première chambre d'enrichissement (CE1) pour enrichir en azote la pièce chauffée, par nitruration en phase α sous une deuxième température inférieure ou égale à la première température, une seconde chambre d'enrichissement (CE2) pour enrichir en carbone la pièce enrichie en azote, par cémentation sous une troisième température supérieure à la deuxième température, une chambre de trempe (CT) pour tremper sous pression la pièce enrichie en azote et en carbone, un sas de transfert (ST) communiquant avec les chambres et propre à accueillir temporairement la pièce dans une atmosphère contrôlée, et des moyens de transfert (MT) pour transférer la pièce d'une chambre à une autre chambre via le sas de transfert (ST).

Description

PROCÉDÉ ET INSTALLATION DE CARBONITRURATION DE PIÈCE(S) EN ACIER SOUS BASSE PRESSION ET HAUTE TEMPÉRATURE
L'invention concerne certains traitements thermochimiques qui sont destinés à renforcer des pièces en acier, et plus précisément la carbonitruration de telles pièces en acier.
Dans certains domaines, comme par exemple celui des véhicules, éventuellement automobiles, il est indispensable de renforcer la résistance de certaines pièces en acier, et plus précisément au moins leur tenue en fatigue, afin qu'elles puissent supporter des contraintes importantes et/ou afin d'augmenter leur durée de vie. Un tel renforcement peut être obtenu par carbonitruration.
Il est rappelé que la carbonitruration est un traitement thermochimique de diffusion qui consiste à enrichir en carbone et en azote la surface d'un acier, avant une étape de trempe, de manière à obtenir une structure martensitique et un renforcement. L'enrichissement en azote, ici réalisé en phase austénitique, est appelé nitruration en phase a, et l'enrichissement en carbone est appelé cémentation. La nitruration en phase a (ou phase austénitique) est destinée à améliorer la tenue en fatigue et la stabilité de la structure métallurgique de l'acier par pénétration d'azote. La cémentation consiste à faire pénétrer du carbone dans une pièce en acier afin d'augmenter son aptitude à être trempé et donc permettre une augmentation de sa dureté en surface, et sa tenue en fatigue et à l'usure.
La trempe est un refroidissement rapide dans un milieu liquide ou gazeux qui provoque l'apparition d'une structure martensitique ayant une dureté très élevée.
Comme le sait l'homme de l'art, les traitements de carbonitruration connus sont longs et donnent des résultats métallurgiques non optimaux du fait qu'ils résultent de compromis. En effet, ils utilisent des températures de traitement relativement basses (typiquement d'environ 850 °C) afin d'optimiser l'enrichissement en azote (et plus précisément d'éviter que la majeur partie de l'ammoniac (NH3) de nitruration en phase a ne se craque avant même de toucher la pièce), mais au détriment de l'enrichissement en carbone (qui nécessite de plus hautes températures) et du temps de traitement (qui doit être augmenté du fait de la température de traitement relativement basse).
L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation.
Elle propose notamment à cet effet un procédé, destiné à permettre la carbonitruration d'au moins une pièce en acier, et comprenant :
- une première étape dans laquelle on chauffe chaque pièce à une première température choisie, dans un environnement contenant un gaz neutre et sous une pression choisie,
- une deuxième étape dans laquelle on enrichit en azote dans une première chambre la pièce chauffée, par nitruration en phase a sous une deuxième température choisie inférieure ou égale à la première température,
- une troisième étape dans laquelle on enrichit en carbone dans une seconde chambre la pièce enrichie en azote, par cémentation sous une troisième température choisie strictement supérieure à la deuxième température, et
- une quatrième étape dans laquelle on trempe sous pression la pièce enrichie en azote et en carbone.
La température de la pièce étant plus chaude que celle à laquelle on réalise la nitruration en phase a, on évite ainsi que le gaz de nitruration se craque instantanément à son contact et donc on le rend beaucoup plus disponible pour l'enrichissement en azote. En outre, cela permet une meilleure diffusion de l'azote dans la pièce et donc une augmentation de sa concentration. De plus, la cémentation étant réalisée à une température supérieure à celle de la nitruration en phase a, l'enrichissement en carbone de la pièce est ainsi plus efficace et plus rapide. Enfin, l'étape d'enrichissement en carbone étant effectuée dans une chambre différente de celle dans laquelle on réalise l'étape d'enrichissement en azote, cela permet de faire varier très rapidement la température entre les étapes d'enrichissements en azote et en carbone. Le procédé selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment :
- dans la première étape le gaz neutre peut être du diazote (ou N2) ;
- dans la première étape la pression peut être comprise entre environ 1 bar et environ 1 ,5 bar. Mais elle pourrait être notablement plus basse, et par exemple similaire à la basse pression utilisée dans les deuxième et troisième étapes ;
- dans la première étape la première température peut être comprise entre environ 800 ° C et environ 1 100 ° C ;
- dans la deuxième étape la deuxième température peut être comprise entre environ 700°C et environ 880°C;
- dans la deuxième étape on peut enrichir la pièce en azote par nitruration en phase a avec de l'ammoniac ;
- dans la troisième étape la troisième température peut être comprise entre environ 900 ° C et environ 1 100 ° C ;
- dans la troisième étape on peut enrichir la pièce en carbone par cémentation avec de l'acétylène ;
- dans la quatrième étape la pression de trempe peut être comprise entre environ 1 bar et environ 20 bars ;
- dans la quatrième étape la trempe peut être réalisée dans un environnement contenant un gaz choisi.
L'invention propose également une installation, dédiée à la carbonitruration de pièces en acier, et comprenant :
- au moins une chambre de chauffage propre à chauffer au moins une pièce en acier à une première température choisie, dans un environnement contenant un gaz neutre et sous une pression choisie,
- au moins une première chambre d'enrichissement propre à enrichir en azote la pièce chauffée, par nitruration en phase a sous une deuxième température choisie inférieure ou égale à la première température,
- au moins une seconde chambre d'enrichissement propre à enrichir en carbone la pièce enrichie en azote, par cémentation sous une troisième température choisie strictement supérieure à la deuxième température, - au moins une chambre de trempe propre à tremper sous pression la pièce enrichie en azote et en carbone,
- un sas de transfert communiquant de façon contrôlée avec chacune des chambres et propre à accueillir temporairement la pièce dans un environnement où règne une atmosphère contrôlée, et
- des moyens de transfert propres à transférer la pièce d'une chambre à une autre chambre via le sas de transfert.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 illustre schématiquement et fonctionnellement un exemple de réalisation d'une installation de carbonitruration selon l'invention, et
- la figure 2 illustre schématiquement un exemple d'algorithme mettant en œuvre un procédé de carbonitruration selon l'invention.
L'invention a notamment pour but de proposer un procédé, et une installation IC associée, destinés à permettre la carbonitruration de pièce(s) en acier PA à haute température et à basse pression.
Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que les pièces en acier PA sont destinées à équiper un véhicule, éventuellement de type automobile. Par exemple, il pourra s'agir de pièces de boîte de vitesses, de pièces de transmission, ou d'engrenages divers. Mais l'invention n'est pas limitée à cette application. Elle concerne en effet toute pièce en acier destinée à équiper un dispositif, un appareil, un système (et notamment un véhicule, quel qu'en soit le type), ou une installation (éventuellement de type industriel). Ainsi, elle concerne également et notamment certains éléments de transmission dans le domaine aéronautique, et d'une manière générale les pièces qui sont sollicitées mécaniquement en usure et en fatigue.
Un procédé de carbonitruration de pièce(s) en acier PA comprend au moins des première, deuxième, troisième et quatrième étapes.
Un tel procédé peut être mis en œuvre par une installation de carbonitruration IC du type de celle qui est illustrée non limitativement sur la figure 1 . Comme illustré sur la figure 1 , une installation de carbonitruration IC, selon l'invention, comprend au moins une chambre de chauffage CC, au moins une première chambre d'enrichissement CE1 , au moins une seconde chambre d'enrichissement CE2, au moins une chambre de trempe CT, un sas de transfert ST, et des moyens de transfert MT.
Le sas de transfert ST comprend une entrée ES à accès contrôlé et par laquelle on introduit chaque pièce (en acier) PA à traiter, et une sortie SS à accès contrôlé et par laquelle on extrait la pièce PA traitée. Par exemple, l'entrée ES et la sortie SS comprennent chacune une simple ou double porte coulissante, étanche, commandée électriquement ou pneumatiquement, et assurant l'interface étanche. Ce sas de transfert ST communique de façon contrôlée avec chacune des chambres CC, CE1 , CE2 et CT, et est propre à accueillir temporairement la pièce PA, lors de chacun de ses transferts d'une chambre à l'autre, dans un environnement où règne une atmosphère contrôlée destinée à éviter son oxydation.
Cette atmosphère contrôlée peut être un vide choisi, de préférence compris entre environ 2 millibars et environ 50 millibars, et elle peut être neutre (par exemple définie par un gaz neutre tel que le diazote (ou N2)).
On notera que chaque pièce PA est de préférence placée sur un plateau qui peut accueillir une ou plusieurs pièces à traiter. On considère dans ce qui suit, à titre d'exemple illustratif, que l'on ne traite qu'une seule pièce PA à la fois.
La (chaque) chambre de chauffage CC est agencée de manière à chauffer une pièce PA à une première température T1 choisie, dans un environnement qui contient un gaz neutre et sous une pression P1 choisie. Elle comprend des moyens de contrôle d'accès, comme par exemple une simple ou double porte coulissante, étanche, commandée électriquement ou pneumatiquement, et assurant l'interface étanche avec le sas de transfert ST.
Par exemple, le gaz neutre peut être du diazote (ou N2).
Egalement par exemple, la pression P1 peut être sensiblement égale à la pression atmosphérique. Ainsi, elle peut, par exemple, être comprise entre environ 1 bar et environ 1 ,5 bar. Mais dans une variante plus économique, cette pression P1 peut être similaire (ou identique) à la basse pression qui est utilisée dans les chambres d'enrichissement CE1 et CE2 (typiquement quelques millibars).
De préférence, la première température T1 est comprise entre environ 800 °C et environ 1 100°C. Par exemple, ellepeut être choisie égale à 1050°C.
La (chaque) première chambre d'enrichissement CE1 est agencée de manière à enrichir en azote, sous une basse pression, la pièce PA qui a été chauffée dans la (une) chambre de chauffage CC, par nitruration en phase a sous une deuxième température T2 choisie inférieure ou égale à la première température T2 (soit T2 < T1 ). De préférence, cette deuxième température T2 est strictement inférieure à la première température T2 (soit T2 < T1 ). Elle comprend des moyens de contrôle d'accès, comme par exemple une simple ou double porte coulissante, étanche, commandée électriquement ou pneumatiquement, et assurant l'interface étanche avec le sas de transfert ST.
De préférence, la deuxième température T2 est comprise entre environ 700 °C et environ 880 °C. Par exemple, elle put être choisie égale à 830°C.
Par exemple, pour réaliser l'enrichissement en azote par nitruration en phase a on peut utiliser de l'ammoniac (ou NH3) gazeux. Ce gaz constitue l'atmosphère à l'intérieur de la première chambre d'enrichissement CE1 .
La (chaque) seconde chambre d'enrichissement CE2 est agencée de manière à enrichir en carbone, sous une basse pression, la pièce PA qui a été enrichie en azote dans la (une) première chambre d'enrichissement CE1 , par cémentation sous une troisième température T3 choisie strictement supérieure à la deuxième température T2 (soit T3 > T2). Elle comprend des moyens de contrôle d'accès, comme par exemple une simple ou double porte coulissante, étanche, commandée électriquement ou pneumatiquement, et assurant l'interface étanche avec le sas de transfert ST.
De préférence, la troisième température T3 est comprise entre environ 900 °C et environ 1 100°C. Par exemple, ellepeut être choisie égale à 1050°C.
Par exemple, pour réaliser l'enrichissement en carbone par cémentation on peut utiliser de l'acétylène (ou C2H2) gazeux. Ce gaz constitue l'atmosphère à l'intérieur de la seconde chambre d'enrichissement CE2. Mais d'autres gaz de cémentation peuvent être utilisés, et notamment le propane.
La (chaque) chambre de trempe CT est agencée de manière à tremper sous pression la pièce PA qui a été enrichie en azote et en carbone dans les première(s) CE1 et seconde(s) chambres d'enrichissement. Cette trempe se fait de préférence sous une quatrième température T4 choisie proche de la température ambiante et sous une pression P2 qui est supérieure ou égale à la pression atmosphérique. Elle comprend des moyens de contrôle d'accès, comme par exemple une simple ou double porte coulissante, étanche, commandée électriquement ou pneumatiquement, et assurant l'interface étanche avec le sas de transfert ST.
Par exemple, la pression de trempe P2 peut être comprise entre environ 1 bar et environ 20 bars. Ainsi, elle peut, par exemple, être choisie égale à environ 15 bars pour des aciers contenant peu d'alliage.
On notera que l'augmentation de la pression de trempe permet de tremper plus fortement les pièces PA mais engendre plus de déformations. Le choix de la pression est donc un compromis entre la trempabilité de l'acier, les déformations et la dureté que l'on vise à obtenir.
La trempe peut être réalisée par immersion dans un environnement qui contient un gaz choisi, comme par exemple de l'azote ou de l'hélium. Le gaz de trempe constitue alors l'atmosphère à l'intérieur de la chambre de trempe CT.
En variante, la trempe peut être réalisée par immersion dans un environnement qui contient un liquide choisi, comme par exemple de l'huile ou un polymère.
Les moyens de transfert MT sont agencés de manière à transférer la pièce PA d'une chambre à une autre chambre via le sas de transfert ST. Ils comprennent par exemple un chariot motorisé (de préférence électriquement), comprenant un plateau propre à supporter au moins une pièce PA, et monté en translation sur des rails qui sont implantés fixement dans le sas de transfert ST et qui communiquent avec l'extérieur (via les entrée ES et sortie SS du sas de transfert ST) et avec les différentes chambres CC, CE1 , CE2 et CT afin de permettre le transfert de la pièce PA. Une première étape, du procédé selon l'invention, est réalisée une fois qu'au moins une pièce PA a été installée dans la (une) chambre de chauffage CC au moyen des moyens de transfert MT (flèches F1 et F2 de la figure 1 ). Cette installation correspond à la sous-étape 10 de l'exemple d'algorithme de la figure 2.
Dans cette première étape, on chauffe la pièce PA à la première température T1 choisie, dans un environnement contenant un gaz neutre (comme par exemple du diazote, comme mentionné précédemment), et sous une pression P1 choisie (éventuellement sensiblement égale à la pression atmosphérique).
Un tel chauffage dans une atmosphère neutre et sous une basse pression permet d'avoir une vitesse de chauffe de la pièce PA sensiblement plus rapide que dans le cas d'un chauffage sous vide. Par exemple, pour porter la température d'une pièce PA à environ 1050°C dans une atmosphère neutre et sous environ 1 bar, il faut environ une heure, alors qu'il faut environ une heure et quart sous vide. Cela permet de libérer plus rapidement la chambre de chauffage CC.
La première étape correspond à la sous-étape 20 de l'exemple d'algorithme de la figure 2.
Une deuxième étape, du procédé selon l'invention, est réalisée une fois que la pièce PA a été chauffée à la première température T1 dans la chambre de chauffage CC, puis installée dans la (une) première chambre d'enrichissement CE1 au moyen des moyens de transfert MT (flèches F2, F3 et F4 de la figure 1 ).
Dans cette deuxième étape, on enrichit en azote, sous basse pression (typiquement quelques millibars), la pièce PA chauffée, par nitruration en phase a sous la deuxième température T2 choisie (inférieure ou égale à la première température T1 , et de préférence strictement inférieure à T1 ).
La température T1 de la pièce PA étant de préférence initialement plus chaude que la température T2 à laquelle on réalise la nitruration en phase a, on évite que le gaz de nitruration se craque instantanément à son contact et donc on rend ce gaz beaucoup plus disponible pour l'enrichissement en azote. En outre, cela permet une meilleure diffusion de l'azote dans la pièce PA et donc une augmentation de sa concentration, conformément à la loi de Fick.
On notera qu'un enrichissement maximum de la pièce PA en azote est attendu entre environ 800 °C et environ 850 °C Itusque l'on utilise l'ammoniac comme gaz de nitruration. En effet à partir d'environ 900 °C, l'ammoniac craque à 99% instantanément dans l'atmosphère et n'est plus disponible pour enrichir la pièce PA en azote.
On notera également que la durée de la nitruration en phase a peut être égale à environ dix minutes. Cette durée est fonction de la quantité d'azote que l'on souhaite introduire dans la pièce PA.
A la fin de la nitruration en phase a, la température de la pièce PA est devenue légèrement inférieure à T1 du fait que la température de nitruration en phase α T2 est strictement inférieure à T1 . Par exemple, si T1 est égale à 1050°C et que la température de nitruration en phase a est égale à 830 °C, la température de la pièce PA enrichie en azote est égale à environ à 1010°C au bout de dix minutes de nitruration en phase a.
La deuxième étape correspond à la sous-étape 30 de l'exemple d'algorithme de la figure 2.
Une troisième étape, du procédé selon l'invention, est réalisée une fois que la pièce PA a été enrichie en azote dans la première chambre d'enrichissement CE1 , puis installée dans la (une) seconde chambre d'enrichissement CE2 au moyen des moyens de transfert MT (flèches F4, F5 et F6 de la figure 1 ).
Dans cette troisième étape on enrichit en carbone, sous basse pression (typiquement quelques millibars), la pièce PA déjà enrichie en azote, par cémentation sous la troisième température T3 choisie (strictement supérieure à la deuxième température T2).
Plus la troisième température de cémentation T3 est élevée, plus l'enrichissement de la pièce PA en carbone est efficace et rapide. Par exemple, pour obtenir par cémentation une profondeur conventionnelle dite E650 de 0,4 mm, il faut environ 210 minutes de traitement lorsque la troisième température de cémentation T3 est égale à 900 °C, alors qu'il ne faut que 15 minutes lorsque la troisième température de cémentation T3 est égale à 1050°C.
On notera cependant qu'il n'est pas recommandé d'utiliser une troisième température de cémentation T3 supérieure à 1 100° C, car cela induit une forte dégradation de la métallurgie des aciers par grossissement du grain. Par ailleurs, pour les troisièmes températures de cémentation T3 supérieures à 950 °C, il est préférable d'adjoindre initialement à l'acier de la pièce PA des éléments d'alliage (comme par exemple du niobium) afin d'empêcher le grossissement des grains.
On notera également que la durée de la troisième étape peut être égale à environ quinze minutes (dix minutes pour la cémentation effective sous acétylène, puis cinq minutes pour la diffusion complète de carbone dans la pièce PA sous diazote). Cette durée est fonction de la profondeur de traitement souhaitée dans la pièce PA.
A la fin de la cémentation, la température de la pièce PA est devenue égale à T3 du fait que la température de cémentation T3 est strictement supérieure à celle qu'elle présente en sortie de la première chambre d'enrichissement CE1 .
La troisième étape correspond à la sous-étape 40 de l'exemple d'algorithme de la figure 2.
Une quatrième étape, du procédé selon l'invention, est réalisée une fois que la pièce PA a été enrichie en azote et en carbone dans les première CE1 et seconde CE2 chambres d'enrichissement, puis installée dans la (une) chambre de trempe CT au moyen des moyens de transfert MT (flèches F6, F7 et F8 de la figure 1 ).
Dans cette quatrième étape on trempe (ou refroidit rapidement) sous pression P2 la pièce PA enrichie en azote et en carbone.
La quatrième température de trempe T4 est par exemple la température ambiante, typiquement égale à environ 20 °C.
La pression de trempe P2 utilisée est de préférence comprise entre environ 1 bar et environ 20 bars. Ces valeurs beaucoup plus importantes que celle de la basse pression utilisée dans les deuxième et troisième étapes permettent d'augmenter la vitesse de refroidissement. Une vitesse très rapide permet de transformer l'austénite enrichie en azote et carbone afin de former de la martensite et d'augmenter sensiblement la dureté de la pièce PA.
On notera que la durée de la trempe peut être comprise entre environ 2 minutes et environ 5 minutes. Cette durée est principalement fonction des dimensions des pièces PA à traiter et de la composition chimique initiale de l'acier.
La quatrième étape correspond à la sous-étape 50 de l'exemple d'algorithme de la figure 2.
A la fin de la trempe, la pièce PA est sortie de la chambre de chauffe CC puis du sas de transfert ST (via sa sortie SS) par les moyens de transfert MT (flèches F8 et F9 de la figure 1 ).
On notera également que l'installation de carbonitruration IC selon l'invention pourra éventuellement comporter au moins une autre chambre de chauffage CC pour permettre une alimentation quasiment en continu de la première chambre d'enrichissement CE1 dans laquelle la durée de traitement est notablement plus courte que la durée de chauffe, et/ou au moins une autre première chambre d'enrichissement CE1 pour traiter en parallèle plusieurs pièces PA et/ou pour effectuer un enrichissement en azote additionnel, et/ou au moins une autre seconde chambre d'enrichissement CE2 pour traiter en parallèle plusieurs pièces PA et/ou pour effectuer un enrichissement en carbone additionnel, et/ou au moins une autre chambre de trempe CT pour traiter en parallèle plusieurs pièces PA. Notamment, on peut envisager de réaliser une seconde nitruration en phase a après la cémentation pour obtenir une concentration en azote importante en surface de la pièce PA.
L'invention présente plusieurs avantages, parmi lesquels :
- une importante réduction du temps de traitement par rapport à une carbonitruration classique,
- une réduction notable de la consommation de gaz, - une réduction du nombre de techniciens nécessaires au contrôle de l'installation de carbonitruration,
- une possibilité de fonctionnement en flux tendu ,
- une augmentation notable de la teneur en azote dans la pièce, et donc une amélioration de ses caractéristiques fonctionnelles (et principalement de sa tenue en fatigue),
- l'obtention de pièces présentant des propriétés quasi identiques,
- une réduction du cout de traitement.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de carbonitruration d'au moins une pièce en acier (PA), caractérisé en ce qu'il comprend une première étape dans laquelle on chauffe ladite pièce (PA) à une première température choisie, dans un environnement contenant un gaz neutre et sous une pression choisie, une deuxième étape dans laquelle on enrichit en azote dans une première chambre d'enrichissement (CE1 ) ladite pièce (PA) chauffée, par nitruration en phase a sous une deuxième température choisie inférieure ou égale à ladite première température, une troisième étape dans laquelle on enrichit en carbone dans une seconde chambre d'enrichissement (CE2) ladite pièce (PA) enrichie en azote, par cémentation sous une troisième température choisie strictement supérieure à ladite deuxième température, et une quatrième étape dans laquelle on trempe sous pression ladite pièce (PA) enrichie en azote et en carbone.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que dans ladite première étape ledit gaz neutre est du diazote.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que dans ladite première étape ladite première température est comprise entre environ 800 ° C et environ 1 100 ° C.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans ladite deuxième étape ladite deuxième température est comprise entre environ 700 °C et environ 880 °C.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans ladite deuxième étape on enrichit ladite pièce (PA) en azote par nitruration en phase a avec de l'ammoniac.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que dans ladite troisième étape ladite troisième température est comprise entre environ 900 ° C et environ 1 100 ° C.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que dans ladite troisième étape on enrichit ladite pièce (PA) en carbone par cémentation avec de l'acétylène.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que dans ladite quatrième étape ladite pression de trempe est comprise entre environ 1 bar et environ 20 bars.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que dans ladite quatrième étape ladite trempe est réalisée dans un environnement contenant un gaz choisi.
10. Installation (IC) de carbonitruration de pièce(s) en acier (PA), caractérisée en ce qu'elle comprend i) au moins une chambre de chauffage (CC) propre à chauffer au moins une pièce en acier (PA) à une première température choisie, dans un environnement contenant un gaz neutre et sous une pression choisie, ii) au moins une première chambre d'enrichissement (CE1 ) propre à enrichir en azote ladite pièce (PA) chauffée, par nitruration en phase a sous une deuxième température choisie inférieure ou égale à ladite première température, iii) au moins une seconde chambre d'enrichissement (CE2) propre à enrichir en carbone ladite pièce (PA) enrichie en azote, par cémentation sous une troisième température choisie strictement supérieure à ladite deuxième température, iv) au moins une chambre de trempe (CT) propre à tremper sous pression ladite pièce (PA) enrichie en azote et en carbone, v) un sas de transfert (ST) communiquant de façon contrôlée avec chacune desdites chambres (CC, CE1 , CE2, CT) et propre à accueillir temporairement ladite pièce (PA) dans un environnement où règne une atmosphère contrôlée, et vi) des moyens de transfert (MT) propres à transférer ladite pièce (PA) d'une chambre à une autre chambre via ledit sas de transfert (ST).
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