EP4110962A1 - Procédé de fabrication d'une pièce en acier nitrure - Google Patents

Procédé de fabrication d'une pièce en acier nitrure

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EP4110962A1
EP4110962A1 EP21714638.0A EP21714638A EP4110962A1 EP 4110962 A1 EP4110962 A1 EP 4110962A1 EP 21714638 A EP21714638 A EP 21714638A EP 4110962 A1 EP4110962 A1 EP 4110962A1
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EP
European Patent Office
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laser
layer
nitriding
shock
steel
Prior art date
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Pending
Application number
EP21714638.0A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jawad BADREDDINE
Simon Thibault
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Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • C23C8/80—After-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
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    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
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    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2261/00—Machining or cutting being involved

Definitions

  • TITLE MANUFACTURING PROCESS OF A NITRIDE STEEL PART
  • the present invention relates to the general field of manufacturing a nitrided steel part.
  • a preferred application refers to the production of aircraft turbomachine parts.
  • Nitriding of low alloy steels is a classic solution for many parts, including power transmission parts, especially when the operating temperature does not allow the use of case-hardened steels.
  • the steel / nitriding solution has already been adopted for the manufacture of various parts.
  • Nitriding generates a hardened layer on the surface and typically on the sub-surface (over a few hundredths of a mm) of the part. This process also generates a layer of iron nitride called a “combination layer” or even “white layer”, generally removed subsequently, because of its brittle nature, this being typically followed by a shot-blasting step for mechanical reinforcement. . Rectification usually removes this layer of combination and ensures the final dimension of the part.
  • a method of manufacturing a steel part comprising a nitriding of the part leading to the formation of a combination layer of iron nitrides (surface layer, typically less than 100 pm thick; layer is composed of e and y 'nitrides), with the important characteristic that after nitriding, a laser shock is produced on the nitrided part so as to remove the combination layer.
  • the laser shock will be used which, by generating a shock wave, will make it possible to remove the combination layer which therefore constitutes a sacrificial layer.
  • the shock wave generates compressive stresses in the part which are beneficial.
  • the laser projects pulses with a power (P) 5J ⁇ P ⁇ 30J, preferably 10J ⁇ P ⁇ 30J, and a duration of each pulse between 1 and 30 nanoseconds, preferably between 5 and 30 nanoseconds.
  • the laser can usefully project pulses along a wavelength (l) such as 0.5 pm ⁇ l ⁇ 2 pm.
  • the laser could in particular have power surface densities between 5 and 30 GW / cm 2 , and preferably between 2 and 10 GW / cm 2 .
  • shot peening can be omitted, otherwise shot peening can be carried out. Tribfinishing can also be carried out.
  • the laser shock can be used in the same way as in the known technique, because it typically makes it possible to remove a sacrificial layer, which is here the combination layer.
  • To prepare for the laser shock step it is proposed, before the nitriding of the part: to first manufacture a blank of the part in steel, to heat treat the blank, and to semi-finish the part. blank, by machining, on which said nitriding will then be carried out.
  • shot peening can be applied, after nitriding and grinding, to increase the levels of residual compressive stresses (origin of the mechanical reinforcement of the surface) at the near surface (depth ranging from the surface - 0 ⁇ m-up to at around 300pm).
  • the solution of the invention by using the laser shock, makes it possible to eliminate the grinding step and may make it possible not to carry out a shot-blasting step.
  • the laser shock will also allow:
  • the aforementioned method with laser impact on a nitrided part can be devoid of both the step of grinding the part and the step of applying at least one sacrificial layer to the nitrided part.
  • At least one target roughness (at least one, because it could vary depending on the area of the part concerned)
  • the laser impact on a nitrided part making it possible to promote the accessibility or the release of the manufacturing tools at the scale of the part it may be desirable, in order to modify the surface condition, including the edges of parts with ridges, that the finish of the part includes a tribofinishing.
  • the laser shock uses laser power surface densities which vary between 5 GW / cm 2 and 30 GW / cm 2, with a pulse duration of between 5 GW / cm 2 and 30 GW / cm 2. ns and 30 ns.
  • the manufactured part in terms of application of the aforementioned method, with all or part of its characteristics, it is possible in particular to aim for the manufactured part to be one of an aeronautical part or an automobile part, of the toothed type and / or. spline, pinion (gears in particular), rolling track, among others, to allow it to withstand the mechanical stresses to which it is subjected and which have the particularity of being concentrated mainly on the surface (flexion fatigue, contact fatigue, fretting, wear, ).
  • the laser beam is directed towards the surface to be treated.
  • the beam can be oriented relative to the surface to be treated. For example, if the beam arrives perpendicular to the surface, the angle between the surface and the beam is 90 °. This is called the treatment angle, or the shooting angle. So for an angle of 30 °, the beam would arrive at an angle of 30 ° with respect to the surface of the area to be treated.
  • FIG. 1 represents a schematic example of a blank of the part to be treated
  • FIG. 2 represents an enlargement of zone II of FIG. 1 (the 20 ⁇ m scale is represented there);
  • FIG. 3 shows a schematic example of a semi-finished part from said blank;
  • FIG. 4 shows in particular an enlargement of zone IV of FIG. 3, during the laser pulses
  • FIG. 5 shows the same magnification and schematizes the effect of the laser shock
  • FIG. 6 shows an enlarged part of a room without a surface combination layer (the 20pm scale is shown).
  • a laser shock Before, as shown diagrammatically in FIGS. 1 and 2, of carrying out, on the surface 10 to be treated of the part 1 concerned, a laser shock, one will advantageously: manufactured a blank 3 of the part 1 in steel (FIG. 1), heat treated the blank 3, produced as a semi-finishing of the blank, by machining, to obtain a semi-finished part 5 (FIG. 3) on which nitriding will have been carried out.
  • Nitriding can, in a traditional way, consist in immersing the semi-finished part 5 of ferrous alloy (such as an alloy steel of the chromium-aluminum type) in a medium liable to give up nitrogen (formerly called nitre) on the surface. , at a temperature between 300 ° C and 600 ° C where the nitrogen was able to diffuse from the surface towards the heart of the part.
  • ferrous alloy such as an alloy steel of the chromium-aluminum type
  • the part can in particular be treated in a furnace under a nitrogen atmosphere.
  • the nitrided zone extends to a depth less than one millimeter.
  • a low-alloy nitriding steel for example of the 32CrMoV13 type, typically having a carbon content of between 0.20% and 0.45% making it possible to give the base material its mechanical properties at the core after heat treatment, could be selected.
  • the surface properties of steel such as hardness, have been conferred on it by a nitriding treatment consisting in diffusing nitrogen in the ferritic phase, which has generated the precipitation of submicroscopic nitrides from nitrurogenic elements such as Cr, V, Mo and Al, present in solid solution in the treated steel.
  • the steel in a nitriding treatment, could be treated at a temperature of the order of 500 ° C with ammonia, which decomposed into cracked ammonia and reacted simultaneously with the iron of the steel.
  • the ammonia caused the formation of said surface combination layer therefore consisting of iron nitrides, from which the nitrogen atoms diffused towards the core of the part to form the diffusion layer.
  • the surface combination layer made up of iron nitrides and the diffusion layer in which the submicroscopic nitride precipitates were dispersed at the origin of the increase in hardness observed in the nitrided layer.
  • the depth of the total nitriding layer can vary, depending on the nitriding conditions and the targeted applications, between 0.05 mm and 1 mm.
  • a thicker diffusion layer (from 100 to 1000 ⁇ m); the level of hardness obtained can be between 400 and 1300 HV (Vickers hardness) and this hardness can be maintained up to temperatures of the order of 500 ° C.
  • the diffusion layer is therefore harder than the combination layer.
  • nitriding can however be chosen according to industrial applications and functional need, the fine specificities of the laser shock to remove the combination layer and reinforce the mechanical material in the subsurface being to be determined as a function of the nitriding layer.
  • the nitriding of the surface 10 of the semi-finished part 5 will in any case have, at the surface (typically over 2 to 40 ⁇ m), generated a combination layer 7 which, in the traditional technique, it is then sought to eliminate because of particular of its fragile character.
  • the invention therefore provides for resorting to a laser shock.
  • Laser shock is a method of non-contact mechanical reinforcement of a metal surface, here therefore the surface 10 made of nitrided steel. It consists in projecting laser pulses towards the surface to be treated (figure 4).
  • the wavelength can be such that 0.5 pm ⁇ 1 ⁇ 2 pm, with a power 10J ⁇ P ⁇ 30J and a duration of each pulse between 1 to 50 ns, preferably between 1 to 30 ns, and preferably and still between 5 and 30 nanoseconds.
  • the Fluences (power surface density) used can typically vary between 1 and 50 GW / cm 2 , and preferably between 5 and 30 GW / cm 2 , and more preferably between 2 and 10 GW / cm 2 .
  • a pulsed laser beam 8 typically with an energy between 3 and 30 J, preferably between 5 and 30 J, and more preferably between 5 and 10 Joules, for example 10J with the Nd: YAG and a duration of 18 nanoseconds, this beam being projected onto the surface 10, in order to create residual compressive stresses therein.
  • the laser firing frequency may be between 10Hz and 200Hz and preferably between 20Hz and 100Hz.
  • the surface of the part to be treated can: either directly receive the laser beam, which then requires subsequent removal of material over a few microns in depth (typically between 5 and 50 ⁇ m) in order therefore to remove the layer of material sacrificed; there is indeed a risk of surface burns of the material, if the material is directly exposed to the laser, either be covered with a material acting as a sacrificial and thermal protection layer and which can be an adhesive made of aluminum, black vinyl or made of black polyvinyl chloride (PVC) having a thickness of a few tens of micrometers (30 to 130 ⁇ m typically), and / or be protected by a confinement layer which is a transparent medium to the laser, capable of interacting with the wave shock generated by the plasma induced by the interaction between the laser and the material (sacrificial layer or target material, in the absence of a sacrificial layer).
  • a confinement layer or medium 15 maximizes the energy transmitted to the material, by reflecting a part of the shock wave which propagates away from the material
  • a typical confinement medium is that defined by a lamellar flow of water, which provides a continuous flow and of constant thickness, over the surface of the part.
  • Such a film or lamellar flow of water could be replaced by another type of fluid having anti-corrosion properties, as long as this fluid is transparent to the wavelength of the laser used.
  • the photons of the laser beam 8 are absorbed by the combining layer 7 which therefore acts as a sacrificial layer. This absorption rapidly ionizes and vaporizes the material on the surface and creates plasma 11 which absorbs the remainder of the laser pulse.
  • the pressure of the plasma thus formed can reach 100 kBar (1T / cm2) and is confined by the inertia of the confinement layer 15 flowing over the surface.
  • the depth e concerned by the compression created by the laser shock can reach depths of the order of a millimeter, between 1 and 4mm, for example 3mm for a steel 304 stainless steel.
  • the depths are of the order of a few hundred micrometers, typically between 100 and 300 ⁇ m.
  • Avoiding having to seek, sometimes in inaccessible areas, to remove the combination layer 7 using ad hoc tools is also an advantage of the invention linked to the low sensitivity of the laser shock to the treatment angles ( see the remarks made on the laser shock treatment angles above).

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce (1) en acier nitruré. Après la nitruration on réalise un choc laser sur une surface (10) de la pièce nitrurée.

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCEDE DE FABRICATION D’UNE PIECE EN ACIER NITRURE
Domaine technique de l’invention
La présente invention se rapporte au domaine général de la fabrication d’une pièce en acier nitrurée.
Une application privilégiée se réfère à la réalisation de pièces de turbomachine d’aéronef.
La fabrication de diverses pièces de transmission de puissance est en particulier concernée. Etat de la technique antérieure
La nitruration des aciers faiblement alliés est une solution classique pour nombre des pièces, y compris les pièces de transmission de puissance, en particulier lorsque la température de fonctionnement ne permet pas d’utiliser les aciers cémentés. La solution acier/nitruration a déjà été retenue pour la fabrication de diverses pièces.
Parmi les pièces de transmission de puissance, on peut noter : des engrenages des arbres cannelés des pistes de roulements.
La nitruration génère une couche durcie en surface et typiquement en sous-surface (sur quelques centièmes de mm) de la pièce. Ce procédé génère également une couche de nitrure de fer dite « couche de combinaison » ou encore « couche blanche », généralement supprimée par la suite, à cause de son caractère fragile, ceci étant typiquement suivi d’une étape de grenaillage pour un renforcement mécanique. Une rectification permet généralement de supprimer cette couche de combinaison et d’assurer le dimensionnel final de la pièce.
Parmi les problèmes techniques existants, on peut noter la difficulté qu’il y a à retirer la couche de combinaison par rectification.
Deux causes en sont la dureté élevée de la couche de combinaison (problèmes de faïençage) et l’accessibilité ou le dégagement des outils de fabrication à l’échelle de la pièce.
Résumé de l’invention
Pour chercher une solution à une partie au moins des problèmes précités, il est proposé dans la présente invention un procédé de fabrication d’une pièce en acier, le procédé comprenant une nitruration de la pièce conduisant à la formation d’une couche de combinaison de nitrures de fer (couche de surface, typiquement d’une épaisseur inférieure à 100pm ; couche est composée de nitrures e et y’), avec comme caractéristique importante qu’après la nitruration on réalise un choc laser sur la pièce nitrurée de manière à retirer la couche de combinaison. Ainsi, au lieu, selon la technique antérieure d’enlever la couche de combinaison par rectification, on va utiliser le choc laser qui, en générant une onde de choc, va permettre d’enlever la couche de combinaison qui constitue donc une couche sacrificielle. Par ailleurs l’onde de choc génère des contraintes de compression dans la pièce qui sont bénéfiques.
Pour mener au mieux les opérations, il est conseillé :
- qu’avant la nitruration de la pièce :
-- on fabrique une ébauche de la pièce en acier,
-- on traite thermiquement l’ébauche, et
-- on réalise une semi-finition de l’ébauche, par usinage, pour obtenir une pièce semi- finie sur laquelle on réalise ladite nitruration,
- puis, pour le choc laser, que le laser projette des impulsions avec une puissance (P) 5J < P < 30J, de préférence 10J < P < 30J, et une durée de chaque impulsion comprise entre 1 et 30 nanosecondes, de préférence entre 5 et 30 nanosecondes.
En particulier le laser pourra utilement projeter des impulsions suivant une longueur d’onde (l) telle que 0.5 pm < l < 2 pm.
Egalement utilement, le laser pourra en particulier présenter des densités surfaciques de puissance entre 5 et 30 GW/cm2, et de préférence entre 2 et 10 GW/cm2.
Si l’état de surface est suffisant satisfaisant à la fin du choc laser, on peut ne pas faire de grenaillage, sinon on peut procéder à un grenaillage On peut aussi procéder à une tribofinition.
Le choc laser pourra être utilisé de la même manière que dans la technique connue, car il permet typiquement d’enlever une couche sacrificielle, qui est ici la couche de combinaison. Pour préparer l’étape du choc laser, il est proposé, avant la nitruration de la pièce : de fabriquer d’abord une ébauche de la pièce en acier, de traiter thermiquement l’ébauche, et de réaliser une semi-finition de l’ébauche, par usinage, sur laquelle on réalisera alors ladite nitruration.
En particulier dans ce cas, on évitera une étape finale de rectification, qui pourra être remplacée par l’étape de choc laser.
Selon la technique connue, un grenaillage peut être appliqué, après la nitruration et la rectification, pour accroître les niveaux de contraintes résiduelles de compression (origine du renforcement mécanique de surface) en proche surface (profondeur allant de la surface - 0 pm -jusqu’à environ 300pm).
Ainsi, la solution de l’invention, par l’utilisation du choc laser permet de supprimer l’étape de rectification et peut permettre de ne pas réaliser d’étape de grenaillage Avantageusement, le choc laser permettra aussi :
- de renforcer mécaniquement le matériau (acier nitruré) sur des profondeurs plus élevées que les procédés conventionnels (comme précité, tel que le grenaillage), ceci sans dégrader la rugosité de surface, et - d’utiliser la couche de combinaison générée par la nitruration en surface de la pièce comme couche sacrificielle pour le procédé de choc laser. Ceci permettra de s’affranchir des étapes d’application de couches sacrificielles, comme connu antérieurement.
Aussi est-il prévu que le procédé précité avec choc laser sur une pièce nitrurée puisse être dépourvu tant d’étape de rectification de la pièce que d’étape d’application d’au moins une couche sacrificielle sur la pièce nitrurée.
Pour atteindre favorablement au moins une rugosité cible (au moins une, car elle pourrait varier suivant la zone concernée de la pièce), il est proposé, après le choc laser sur la pièce nitrurée, de réaliser une finition de la pièce, pour traiter son état de surface.
Le choc laser sur une pièce nitrurée permettant de favoriser l’accessibilité ou le dégagement des outils de fabrication à l’échelle de la pièce, on pourra souhaiter, pour modifier l'état de surface, y compris les arêtes de pièces à arêtes, que la finition de la pièce comprenne une tribofinition.
Pour favoriser par ailleurs l’efficience de la solution, il est proposé que le choc laser utilise des densités surfaciques de puissance du laser qui varient entre 5 GW/cm2 et 30 GW/cm2, avec une durée d’impulsion comprise entre 5 ns et 30 ns.
En termes d’application du procédé précité, avec tout ou partie de ses caractéristiques, on pourra en particulier viser que la pièce fabriquée soit l’une parmi une pièce d’aéronautique ou une pièce d’automobile, du type à denture et/ou cannelure, pignonnerie (pignons notamment), piste de roulement, entre autres, afin de lui permettre de résister aux sollicitations mécaniques auxquelles elle est soumise et qui ont la particularité d’être concentrées essentiellement en surface (fatigue flexion, fatigue de contact, fretting, usure, ...).
On notera aussi que le procédé précité, avec tout ou partie de ses caractéristiques, permettra un accès favorisé à des zones confinées, en permettant par exemple de retirer une couche de combinaison là où des méthodes conventionnelles ne le permettent pas. Ceci est dû au fait de la faible sensibilité du choc laser aux angles de traitement (équivalent de 30° à 90°), d’où une capacité à traiter toute surface capable d’être pointée par le laser générant le choc.
En effet, lorsqu’on réalise une opération de choc laser, on dirige le faisceau laser vers la surface à traiter. Le faisceau peut être orienté par rapport à la surface à traiter. Par exemple, si le faisceau arrive perpendiculairement à la surface, l’angle entre la surface et le faisceau est de 90°. C’est qu’on appelle angle de traitement, ou angle de tir. Donc pour un angle de 30°, le faisceau arriverait avec un angle de 30° par rapport à la surface de la zone à traiter.
Brève description des figures
[Fig. 1] représente un exemple schématique d’ébauche de pièce à traiter ;
[Fig. 2] représente un agrandissement de la zone II de la figure 1 (l’échelle de 20pm y est représentée) ; [Fig. 3] représente un exemple schématique de pièce semi-finie issue de ladite ébauche ;
[Fig. 4] représente notamment un agrandissement de la zone IV de la figure 3, lors des impulsions laser ;
[Fig. 5] représente le même agrandissement et schématise l’effet du choc laser, et [Fig. 6] représente une partie agrandie de pièce sans couche de combinaison en surface (l’échelle de 20pm est représentée).
Description détaillée de l’invention
Avant, comme schématisé aux figures 1 et 2, de réaliser, sur la surface 10 à traiter de la pièce 1 concernée, un choc laser, on aura avantageusement : fabriqué une ébauche 3 de la pièce 1 en acier (figure 1), traité thermiquement l’ébauche 3, réalisé une semi-finition de l’ébauche, par usinage, pour obtenir une pièce 5 semi-finie (figure 3) sur laquelle on aura réalisé une nitruration.
Concernant la fabrication de l’ébauche 3 de la pièce 1 en acier, il s’agit de donner la première forme à la pièce concernée. L’ébauche est obtenue par étapes successives d’usinage « grossier », qui permettent d’obtenir la forme générale de la pièce. A ce stade, des surplus de matière (environ 0.5mm des côtes minimales) sont conservés en surface pour la phase ultérieure d’usinage de finition, et qui permet d’atteindre les côtes dimensionnelles finales désirée de la pièce.
Concernant le traitement thermique de l’ébauche 3, il s’agira souvent d’étapes successives, comme par exemple détentionnement thermique, revenu, trempe, passage par le froid (traitement cryogénique).
La nitruration peut, de façon traditionnelle, consister à plonger la pièce 5 semi-finie en alliage ferreux (tel qu’un acier allié de type chrome-aluminium) dans un milieu susceptible de céder de l'azote (autrefois appelé nitre) en surface, à une température comprise entre 300°C et 600°C où l'azote a pu diffuser de la surface vers le cœur de la pièce.
Pour cette nitruration, on peut en particulier traiter la pièce dans un four sous atmosphère azotée. Il s'agit d'un traitement thermochimique de diffusion d'azote seul, réalisé entre 300 et 900°C. La zone nitrurée s'étend sur une profondeur inférieure au millimètre.
Un acier de nitruration (par exemple de type 32CrMoV13) faiblement allié, présentant typiquement une teneur en carbone comprise entre 0,20 % et 0,45 % permettant de conférer au matériau de base ses propriétés mécaniques à coeur après traitement thermique, a pu être choisi.
Les propriétés superficielles de l'acier, telles que la dureté lui ont été conférées par un traitement de nitruration consistant à faire diffuser de l'azote en phase ferritique, ce qui a généré la précipitation de nitrures submicroscopiques à partir d'éléments nitrurigènes comme Cr, V, Mo et Al, présents en solution solide dans l'acier traité.
Concrètement, dans un traitement de nitruration, l'acier a pu être traité à une température de l'ordre de 500°C par de l'ammoniac, lequel s’est décomposé en ammoniac craqué et a réagi simultanément avec le fer de l'acier. L'ammoniac a provoqué la formation de ladite couche superficielle de combinaison constituée donc de nitrures de fer, à partir de laquelle les atomes d'azote ont diffusé en direction du coeur de la pièce pour former la couche de diffusion.
Pour un acier faiblement allié comprenant des éléments nitrurigènes, on a pu observer deux couches après nitruration : la couche de combinaison en surface constituée de nitrures de fer et la couche de diffusion dans laquelle se sont dispersés les précipités de nitrures submicroscopiques à l'origine de l'augmentation de dureté constatée dans la couche nitrurée. La profondeur de la couche totale de nitruration peut varier, selon les conditions de nitruration et les applications visées, entre 0,05 mm et 1 mm.
On peut notamment atteindre :
- une couche de combinaison, en surface, d’une épaisseur inférieure à 100pm, composée de nitrures e et g’, et
- sous la couche de combinaison, une couche de diffusion plus épaisse (de 100 à 1000 pm) ; le niveau de dureté obtenu peut être compris entre 400 et 1300 HV (dureté Vickers) et cette dureté peut être conservée jusqu'à des températures de l'ordre de 500 °C. La couche de diffusion est donc plus dure que la couche de combinaison.
Le document "Microstructure of a Nitrided Steel Previously Decarburized", I. Calliari et al, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol.15, N °6, pages 693-698 (2006.12.01) décrit un tel procédé de nitruration d'un acier faiblement allié.
En pratique, la nitruration pourra toutefois être choisie en fonction des applications industrielles et du besoin fonctionnel, les spécificités fines du choc laser pour retirer la couche de combinaison et renforcer le matériau mécanique en sous-surface étant à déterminer en fonction de la couche de nitruration.
La nitruration de la surface 10 de la pièce 5 semi-finie aura de toute façon, en surface (typiquement sur 2 à 40 pm), généré une couche de combinaison 7 que, dans la technique traditionnelle, on cherche ensuite à supprimer du fait en particulier de son caractère fragile. Pour éviter cela et l’opération de rectification alors typiquement réalisée pour supprimer cette couche de combinaison 7 et permettre ensuite la mise à dimensions finale de la pièce 5 semi- finie, l’invention prévoit donc d’avoir recours à un choc laser.
Cette technique va en effet permettre d’éviter d’avoir à retirer la couche de combinaison 7 par rectification, et donc d’éviter les difficultés techniques qui y sont liées, en particulier les problèmes : de dureté élevée de la couche de combinaison (problèmes de faïençage), d’accessibilité ou de dégagement des outils de rectification qui peuvent être insuffisants, à l’échelle de la pièce.
Le choc laser est un procédé de renforcement mécanique sans contact d’une surface métallique, ici donc la surface 10 en acier nitruré. Il consiste à projeter des impulsions laser vers la surface à traiter (figure 4). La longueur d’onde peut être telle que 0.5 pm < l < 2 pm, avec une puissance 10J < P < 30J et une durée de chaque impulsion comprise entre 1 à 50 ns, de préférence entre 1 à 30 ns, et de préférence et encore entre 5 et 30 nanosecondes.
Les Fluences (densité surfacique de puissance) utilisées pourront varier typiquement entre 1 et 50 GW/cm2, et de préférence entre 5 à 30 GW/cm2, et encore de préférence entre 2 et 10 GW/cm2.
Précisément, on peut utiliser un faisceau laser 8 pulsé, avec typiquement une énergie entre 3 et 30 J, de préférence entre 5 et 30 J, et encore de préférence entre 5 et 10 joules, par exemple 10J avec le Nd :YAG et une durée de 18 nanosecondes, ce faisceau étant projeté sur la surface 10, afin d’y créer des contraintes résiduelles de compression.
La fréquence de tir du laser pourra être entre 10Hz et 200Hz et de préférence entre 20Hz et 100Hz.
Ainsi, notamment avec des impulsions de laser de 1 à 30ns, une énergie de laser de 5 à 30J, et des fréquences de tir entre 20Hz et à 100Hz, on pourra, avec des densités de puissance allant de 5 à 30 GW/cm2, disposer d’assez d’énergie pour pulvériser la couche de de combinaison 7 sous la forme d’un plasma qui ne générera presque pas d’effets thermique dans la matière environnante, du fait des durées extrêmement courtes. Utiliser de l’eau comme milieu de confinement aidera aussi (voir ci-après).
Du fait du plasma créé, une puissante onde de choc sera générée, qui se propagera dans le matériau et permettra de renforcer mécaniquement le matériau par la même occasion.
La surface de la pièce à traiter peut : soit recevoir directement le faisceau laser, ce qui nécessite alors un enlèvement postérieur de matière sur quelques microns de profondeur (entre 5 et 50 pm typiquement) afin donc de retirer la couche de matière sacrifiée ; il y a en effet des risques de brûlures superficielles de matière, si le matériau est directement exposé au laser, soit être recouverte d’un matériau agissant comme couche sacrificielle et de protection thermique et qui peut être un adhésif en aluminium, en vinyle noir ou en polychlorure de vinyle (PVC) noir ayant une épaisseur de quelques dizaines de micromètres (30 à 130 pm typiquement), et/ou être protégée par une couche de confinement qui est un milieu transparent au laser, capable d’interagir avec l’onde de choc générée par le plasma induit par l’interaction entre le laser et la matière (couche sacrificielle ou matériau cible, en absence de couche sacrificielle). Comme connu, une telle couche ou milieu de confinement 15 maximise l’énergie transmise à la matière, en réfléchissant une partie de l’onde de choc qui se propage en s’éloignant de la matière (voir référence 11 de la figure 5).
Un milieu de confinement 15 typique est celui défini par un écoulement lamellaire d’eau, lequel permet d’obtenir un écoulement continu et d’épaisseur constante, sur la surface de la pièce.
Un tel film ou écoulement lamellaire d’eau pourrait être remplacé par d’un autre type de fluide ayant des propriétés anti-corrosion, du moment que ce fluide soit transparent à la longueur d’onde du laser utilisé.
Quoi qu’il en soit, on pourra donc avoir intérêt, pour le choc laser, à conserver le milieu précité de confinement, 15.
Au contact avec la surface 10, qui présente donc la couche de combinaison 7, un plasma 11 est généré, produisant une onde de choc élastique 13 qui traverse le matériau et induit des contraintes résiduelles de compression 17 (figure 5).
Traversant la couche de confinement 15 transparente (si elle est prévue), les photons du faisceau laser 8 sont absorbés par la couche de combinaison 7 qui agit donc comme couche sacrificielle. Cette absorption ionise et vaporise rapidement le matériau en surface et crée le plasma 11 qui absorbe le reste de l’impulsion laser.
La pression du plasma ainsi formé peut atteindre 100 kBar (1T / cm2) et est confiné par l’inertie de la couche de confinement 15 s’écoulant sur la surface.
Grâce au choc laser généré sur la surface 10 en acier nitruré, on va donc, sans rectification, avoir enlevé la couche de combinaison 7, comme cela est visible figure 6, et avoir renforcé mécaniquement la surface 10.
Cette technique doit permettre de renforcer plus profondément la pièce 1 que les procédés conventionnels : la profondeur e concernée par la compression créée par le choc laser peut atteindre des profondeurs de l’ordre du millimètre, entre 1 et 4mm, par exemple 3mm pour un acier inoxydable 304. En comparaison, avec un grenaillage selon la technique antérieurement la plus souvent utilisée, les profondeurs sont de l'ordre de quelques centaines de micromètres, typiquement entre 100 et 300 pm.
Eviter d’avoir eu à chercher, parfois donc dans des zones peu accessibles, à retirer par un outillage ad-hoc la couche de combinaison 7 est aussi un avantage de l’invention lié à la faible sensibilité du choc laser aux angles de traitement (voir ci-avant les remarques faites sur les angles de traitement du choc laser).
Ainsi, il sera de fait possible de traiter toute surface 10 capable d’être pointée par le faisceau laser 8.
A l’issue d’un tel traitement par le faisceau laser 8, on pourra réaliser une finition de la pièce, pour traiter son état de surface 10, afin d’atteindre (au moins) une rugosité cible, étant précisé qu’il pourrait y avoir des rugosités différentes en différents endroits de la surface 10. L’atteinte de ce but sera favorisée si l’on privilégie une tribofinition, qui permettra, via donc un polissage mécanique ou mécano-chimique, de modifier l'état de surface et les arêtes (surface 10 et ses arêtes d’extrémités, dans l’exemple).
Associer le choc laser et la tribofinition élargira donc le champ d’application de cette solution technique et la qualité de la pièce finie.
La solution de l’invention, avec tout ou partie de ses caractéristiques aura permis : d’assurer une compatibilité des états de surfaces (leur topologie) par rapport au besoin fonctionnel, en particulier pour des pièces difficiles à traiter traditionnellement par rectification, de supprimer (si possible) totalement la couche de combinaison 7, tout en maîtrisant son enlèvement (par le contrôle du faisceau laser 8), de supprimer (lorsqu’appliquée) l’étape de grenaillage, tout en générant des contraintes résiduelles de compression de manière contrôlée de réaliser le choc laser éventuellement sans milieu de confinement, ou à l’aide d’un milieu de confinement non corrosif.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d’une pièce (1 ) en acier, le procédé comprenant une nitruration de la pièce conduisant à la formation d’une couche de combinaison (7) de nitrures de fer, caractérisé en ce qu’après la nitruration on réalise un choc laser sur la pièce nitrurée, de manière à retirer la couche de combinaison.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel :
- avant la nitruration de la pièce :
-- on fabrique une ébauche (3) de la pièce en acier,
-- on traite thermiquement l’ébauche, et
-- on réalise une semi-finition de l’ébauche, par usinage, pour obtenir une pièce semi- finie (5) sur laquelle on réalise ladite nitruration,
- puis, pour le choc laser, le laser projette des impulsions avec une puissance (P) 5J < P <
30J, de préférence 10J < P < 30J, et une durée de chaque impulsion comprise entre 1 et 30 nanosecondes, de préférence entre 5 et 30 nanosecondes.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le laser projette des impulsions suivant une longueur d’onde (l) telle que 0.5 pm < l < 2 pm.
4. la couche de combinaison (7) générée par la nitruration, avant le choc laser qui la retire, présente une épaisseur entre 2 à 40 pm.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, pour le choc laser :
- un faisceau laser est reçu directement sur l’acier nitruré de la pièce où un enlèvement de matière est réalisé sur une profondeur entre 5 et 50 pm, ou
- la pièce est préalablement recouverte d’un matériau agissant comme une couche sacrificielle et de protection thermique que le choc laser détruit, ou
- la pièce est protégée par une couche de confinement (15), qui est un milieu transparent au laser, capable d’interagir avec l’onde de choc générée par le plasma induit par l’interaction entre le laser et la matière.
6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel la couche de confinement (15) est définie par un fluide ayant des propriétés anti-corrosion et transparent à la longueur d’onde du laser utilisé pour le choc laser.
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, qui, avant choc laser, est dépourvu d’étape de rectification de la pièce et d’étape d’application d’au moins une couche sacrificielle sur la pièce, un faisceau laser étant, pour le choc laser, reçu directement sur l’acier nitruré de la pièce où un enlèvement de matière est réalisé sur une profondeur entre 5 et 50 pm.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise la couche de combinaison (7) comme une couche sacrificielle que le choc laser détruit.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le choc laser utilise des densités surfaciques de puissance entre 5 et 30 GW/cm2, de préférence entre 2 et 10 GW/cm2.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le procédé est dépourvu d’étape de grenaillage.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le procédé comprend une étape de tribofinition.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel après le choc laser sur la pièce, on réalise une finition de la pièce, pour traiter son état de surface (10), afin d’atteindre au moins une rugosité cible.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la finition de la pièce comprend une tribofinition.
14. Application du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la pièce (1) est l’une parmi une pièce à denture ou à cannelure, pignonnerie, piste de roulement.
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