EP4750923A1 - Procede de nitruration d'un acier - Google Patents

Abstract

Procédé de nitruration (100) d'une pièce en acier à durcissement secondaire comprenant les étapes suivantes : obtention (102) d'une pièce ébauchée en acier à durcissement secondaire; cémentation superficielle (104) de la pièce ébauchée pour obtenir une couche cémentée sur une première épaisseur de la pièce ébauchée; austénitisation (106) de la couche cémentée pour obtenir une couche en acier austénitique; trempe (108) de la couche en acier austénitique pour obtenir une couche en acier martensitique; revenu (110) de la couche en acier martensitique pour obtenir une couche revenue; rectification (112) de la couche revenue pour obtenir une couche revenue rectifiée présentant une deuxième épaisseur; nettoyage superficiel (114) de la couche revenue rectifiée pour obtenir une couche propre; décarburation superficielle (116) de la couche propre dans un four de nitruration pour obtenir une couche décarburée sur une troisième épaisseur, la troisième épaisseur étant strictement inférieure à la deuxième épaisseur; nitruration superficielle (118) de la couche décarburée dans le four de nitruration pour former une pièce nitrurée en surface.

Description

PROCEDE DE NITRURATION D'UN ACIER

Domaine technique

[0001] Le présent exposé concerne un procédé de nitruration d'une pièce acier, en particulier d'un acier à durcissement secondaire, par exemple d'une pièce en acier à durcissement secondaire pour engrenage ou pour roulement.

Technique antérieure

[0002] Les aciers, notamment les aciers à durcissement secondaire, ont de bonnes propriétés mécaniques à cœur. Après un traitement de cémentation superficielle la dureté en surface est augmentée par rapport à la dureté à cœur. [0003] Les propriétés d'une couche superficielle de l'acier peuvent être modifiées par un traitement de nitruration qui consiste à faire diffuser de l'azote dans la pièce en acier.

[0004] On connait de FR3032723 un procédé de nitruration d'une pièce en acier comprenant une étape de décarburation de la surface de la pièce, suivie d'une étape de trempe et de revenu de la pièce partiellement décarburée sur une couche superficielle et une étape de nitruration de la couche superficielle appauvrie en carbone.

[0005] Le traitement thermique comprend une étape de trempe suivie d'une étape de revenu. L'étape de trempe génère généralement une déformation relativement importante de la pièce. La pièce doit donc être rectifiée avant l'étape de nitruration, ce qui a pour conséquence d'ôter une certaine épaisseur de la couche superficielle appauvrie en carbone, réduisant par conséquent l'épaisseur de la couche pouvant être nitrurée.

[0006] La décarburation de la surface de la pièce est réalisée avant ou concomitamment à l'étape d'austénitisation. Lorsque les étapes de décarburation et d'austénitisation sont concomitantes, la profondeur décarburation atteinte est limitée par le temps requis pour l'étape d'austénitisation de la pièce.

Exposé de l'invention [0007] Le présent exposé vise à remédier au moins en partie à ces inconvénients.

[0008] A cet effet, le présent exposé concerne un procédé de nitruration d'une pièce en acier à durcissement secondaire, le procédé comprenant les étapes suivantes :

- obtention d'une pièce ébauchée en acier à durcissement secondaire ;

- cémentation superficielle de la pièce ébauchée pour obtenir une couche cémentée sur une première épaisseur de la pièce ébauchée ;

- austénitisation de la couche cémentée pour obtenir une couche en acier austénitique ;

- trempe de la couche en acier austénitique pour obtenir une couche en acier martensitique ;

- revenu de la couche en acier martensitique pour obtenir une couche revenue ;

- rectification de la couche revenue pour obtenir une couche revenue rectifiée présentant une deuxième épaisseur ;

- nettoyage superficiel de la couche revenue rectifiée pour obtenir une couche propre ;

- décarburation superficielle de la couche propre dans un four de nitruration pour obtenir une couche décarburée sur une troisième épaisseur, la troisième épaisseur étant strictement inférieure à la deuxième épaisseur ;

- nitruration superficielle de la couche décarburée dans le four de nitruration pour former une pièce nitrurée en surface sur la troisième épaisseur.

[0009] On entend par « pièce ébauchée » une pièce dont les surfaces fonctionnelles ont été créées et tenant compte d'une surépaisseur qui sera ôtée lors de l'étape de rectification.

[0010] La cémentation superficielle peut être réalisée dans des conditions conventionnelles.

[0011] La cémentation superficielle est réalisée par injection de gaz carbonés dans un four de cémentation. Les gaz carbonés se décomposent sur la surface de la pièce pour y apporter un flux de carbone.

[0012] La durée de l'étape de cémentation superficielle est fonction de l'épaisseur de la couche superficielle de cémentation désirée ainsi que de la température de cémentation pour un acier donné. Cette épaisseur tient compte des déformations de la pièce lors de la trempe. [0013] On comprend que la couche cémentée est présente sur toute la surface extérieure de la pièce ébauchée sur la première épaisseur.

[0014] Ainsi, dans un plan de coupe, en se déplaçant de la surface de la pièce vers le centre de la pièce, après la couche cémentée, la pièce comprend une couche dans laquelle le taux de carbone diminue progressivement jusqu'à revenir au taux de carbone de la pièce d'origine, c'est-à-dire que l'étape de cémentation superficielle ne modifie pas la composition de la pièce à cœur.

[0015] La durée de l'étape d'austénitisation est à adapter en fonction de la température afin de dissoudre le plus de carbures présents en surface tout en maintenant une taille de grains raisonnable.

[0016] A titre d'exemple non limitatif, la durée de l'étape d'austénitisation est généralement inférieure à 30 minutes.

[0017] La trempe permet la transformation de l'austénite en martensite.

[0018] L'étape de revenu permet le durcissement de la couche superficielle de la pièce en acier martensitique par précipitation de carbures.

[0019] A titre d'exemple non limitatif, l'étape de revenu peut comprendre des sous-étapes de revenu.

[0020] A titre d'exemple non limitatif, l'étape de revenu peut comprendre entre deux et quatre sous-étapes de revenu.

[0021] L'étape de trempe engendre des déformations de la pièce qui sont généralement supérieures à l'épaisseur de la couche nitrurée désirée.

[0022] Aussi, l'étape de rectification permet de retirer les déformations dues à la trempe et s'approcher des dimensions de la pièce finie, c'est-à-dire de la pièce nitrurée en surface. Sans cette étape de rectification avant la décarburation superficielle et la nitruration superficielle, la couche nitrurée pourrait être entièrement retirée lors d'une étape de rectification réalisée après nitruration.

[0023] La rectification peut être réalisée dans des conditions conventionnelles.

[0024] A titre d'exemple non limitatif, la rectification peut être réalisée avec une meule dont les paramètres sont adaptés au matériau et à la lubrification.

[0025] La deuxième épaisseur étant obtenue après rectification de la pièce en acier à durcissement secondaire, on comprend que la deuxième épaisseur est inférieure ou égale à la première épaisseur. La deuxième épaisseur peut ne pas être constante. Elle peut dépendre notamment de la géométrie de la pièce et des déformations de la pièce suite à l'étape de trempe.

[0026] A titre d'exemple non limitatif, la deuxième épaisseur peut être comprise entre 0,5 mm et 3 mm, par exemple entre 0,7 mm et 2 mm.

[0027] L'étape de nettoyage superficiel permet d'éliminer les résidus pouvant empêcher l'adsorption du gaz de décarburation et de nitruration sur la pièce. Les résidus peuvent être par exemple des résidus de graisse, de poussière, des oxydes, etc.

[0028] L'étape de nettoyage superficiel peut être réalisée par des méthodes mécaniques et/ou chimiques.

[0029] Les étapes de décarburation superficielle et de nitruration superficielle sont réalisées dans un même four. Il n'y a donc pas de four spécifique pour la décarburation. Il n'est pas non plus requis de baisser la température et de transporter les pièces d'un four de décarburation dans le four de nitruration.

[0030] A titre d'exemple non-limitatif, l'étape de décarburation superficielle est réalisée à une température proche de la température de nitruration ou égale à la température de nitruration. Par « proche » on entend une différence de température inférieure ou égale à 40°C, de préférence inférieure ou égale à 20°C.

[0031] En outre, la rectification ayant lieu avant la décarburation superficielle, l'épaisseur de la couche décarburée n'est pas modifiée par l'étape de rectification.

[0032] La décarburation superficielle sur une troisième épaisseur strictement inférieure à la deuxième épaisseur permet d'éviter la formation de précipités intergranulaires lors de l'étape de nitruration superficielle.

[0033] La troisième épaisseur étant strictement inférieure à la deuxième épaisseur, il subsiste une couche avec une teneur en carbone plus élevée que la teneur en carbone de la couche décarburée et que la teneur en carbone de la pièce à cœur. Dans un plan de coupe de la pièce, en partant de la surface extérieure vers le centre de la pièce, la pièce comprend la couche décarburée sur la troisième épaisseur, la couche revenue rectifiée sur une épaisseur égale à la différence entre la deuxième épaisseur et la troisième épaisseur, une couche dans laquelle le taux de carbone diminue progressivement jusqu'à revenir au taux de carbone de la pièce d'origine. La composition de la pièce ne varie plus jusqu'au centre de la pièce.

[0034] A titre d'exemple non limitatif, l'étape de décarburation superficielle peut être réalisée à des températures de plateau comprises entre 450°C et 550°C, pendant une durée qui est fonction de la troisième épaisseur que l'on souhaite obtenir pour la couche nitrurée de la pièce nitrurée en surface.

[0035] A titre d'exemple non limitatif, le taux de carbone de la couche décarburée est inférieur ou égal à 0,75% en masse.

[0036] La nitruration superficielle peut être réalisée dans des conditions conventionnelles.

[0037] A titre d'exemple non limitatif, la troisième épaisseur peut être comprise entre 0,05 mm et 0,5 mm, par exemple entre 0,2 mm et 0,4 mm.

[0038] Dans certains modes de réalisation, l'acier à durcissement secondaire peut comprendre, en pourcentage massique : 0,1 à 0,4 % de carbone, 0 à 6,0 % de chrome, 0 à 6,0 % de molybdène, 0 à 3,0 % de vanadium, 0 à 20 % de cobalt, 0 à 10 % de nickel et 0 à 3,0 % de tungstène.

[0039] A titre d'exemple non limitatif, l'acier à durcissement secondaire peut être un acier comprenant, en pourcentage massique : 0,11 à 0,15 % de carbone, 0,10 à 0,25 % de silicium, 0,15 à 0,35 % de manganèse, 4,00 à 4,25 % de chrome, 3,20 à 3,60 % de nickel, 4,00 à 4,50 % de molybdène, 1,13 à 1,33 % de vanadium, maximum 0,015 % de phosphore, maximum 0,010 % de soufre, maximum 0,10 % de cuivre, maximum 0,25 % de cobalt, maximum 0,15 % de tungstène, le complément étant constitué par du fer et des impuretés inévitables, par exemple l'acier à durcissement secondaire communément appelé M50NÎL (AMS 6278).

[0040] Dans certains modes de réalisation, la décarburation superficielle peut être réalisée avec un mélange d'hydrogène gazeux et de vapeur d'eau.

[0041] L'hydrogène gazeux et la vapeur d'eau forment une atmosphère permettant de décarburer en surface la pièce propre sur une épaisseur variant selon le temps de décarburation. Le contrôle de la teneur en vapeur d'eau peut par exemple être réalisé par la mesure du point de rosée qui est fonction de la pression et du taux d'humidité.

[0042] De plus, la présence d'hydrogène gazeux dans le mélange permet de limiter, voire d'éviter la formation d'oxydes en surface de la pièce, oxydes qui doivent être éliminés. [0043] Dans certains modes de réalisation, le mélange peut comprendre en outre un gaz carboné.

[0044] L'ajout d'un gaz carboné au mélange permet, grâce à l'équilibre de la pression partielle en carbone de l'atmosphère gazeuse et la concentration en carbone de la couche superficielle, de contrôler le taux de carbone dans la couche décarburée de la pièce décarburée en surface.

[0045] Selon le procédé de nitruration de l'étape de nitruration superficielle, le gaz carboné peut être du dioxyde de carbone (CO2) lorsque la nitruration superficielle est une nitruration gazeuse ou du méthane (CH₄) lorsque la nitruration superficielle est une nitruration ionique.

[0046] Ainsi, il n'est pas nécessaire de modifier le four de nitruration pour l'alimenter avec un gaz supplémentaire.

[0047] Dans certains modes de réalisation, la trempe peut être suivie d'un traitement cryogénique.

[0048] Le traitement cryogénique permet de descendre plus bas en température afin de transformer le plus d'austénite en martensite.

[0049] A titre d'exemple non limitatif, le traitement cryogénique est typiquement réalisé entre -70°C et -100°C.

[0050] Typiquement, cette étape peut être réalisée dans les deux heures qui suivent la trempe.

[0051] Dans certains modes de réalisation, le traitement cryogénique peut être réalisé pendant un temps de cryogénisation supérieur ou égal à 1 heure et inférieur ou égal à 10 heures.

[0052] Dans certains modes de réalisation, la pièce cémentée peut comprendre en surface un taux de carbone supérieur ou égal à 0,8% en masse. [0053] Dans certains modes de réalisation, l'austénitisation peut être réalisée sous vide.

[0054] L'austénitisation sous vide permet de réduire, voire d'éviter, la formation d'oxyde et/ou la décarburation de la couche cémentée et de la couche en acier austénitique obtenue après austénitisation de la couche cémentée.

[0055] Dans certains modes de réalisation, la nitruration superficielle peut être une nitruration gazeuse ou une nitruration ionique.

[0056] Dans certains modes de réalisation, la cémentation superficielle peut être une cémentation gazeuse ou une cémentation basse pression. [0057] A tire d'exemple non limitatif, la cémentation superficielle peut être réalisée par cémentation basse pression et les gaz carbonés peuvent être de l'acétylène ou du propane.

[0058] A titre d'exemple non limitatif, la cémentation superficielle peut être réalisée par cémentation gazeuse et les gaz carbonés peuvent être un mélange de diazote et de méthanol.

Brève description des dessins

[0059] D’autres caractéristiques et avantages de l’objet du présent exposé ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées.

[0060] [Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une turbomachine.

[0061] [Fig. 2] La figure 2 est un ordinogramme représentant les étapes d'un procédé de nitruration d'une pièce en acier à durcissement secondaire.

[0062] Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.

Description détaillée

[0063] La figure 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à double flux 10. Le turboréacteur à double flux 10 comporte, d'amont en aval selon la circulation du flux d'air, une soufflante 12, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20, et une turbine basse pression 22.

[0064] La turbine haute pression 20 comprend une pluralité d'aubes mobiles 20A tournant avec le rotor et de redresseurs 20B montés sur le stator. Le stator de la turbine 20 comprend une pluralité d'anneaux 24 de stator disposés en vis- à-vis des aubes mobiles 20A de la turbine 20.

[0065] De même, la turbine basse pression 22 comprend une pluralité d'aubes mobiles tournant avec le rotor et de redresseurs montés sur le stator.

[0066] Dans ce qui suit, les éléments communs aux différents modes de réalisation sont identifiés par les mêmes références numériques. [0067] Pour permettre la rotation autour de l'axe principal A des aubes mobiles, le turboréacteur comprend des engrenages et des roulements. Les pièces de ces engrenages et de ces roulements subissent des efforts mécaniques importants qui peuvent engendrer une forte usure. Les pièces d'engrenage et de roulement sont généralement traitées en surface pour augmenter leur dureté et leur résistance mécanique.

[0068] A titre d'exemple non limitatif, la pièce en acier à durcissement secondaire peut être une pièce pour engrenage ou pour roulement.

[0069] La figure 2 est un ordinogramme représentant les étapes d'un procédé de nitruration 100 d'une pièce en acier à durcissement secondaire.

[0070] Le procédé de nitruration 100 comprend une première étape d'obtention 102 d'une pièce ébauchée en acier à durcissement secondaire.

[0071] La pièce ébauchée subit ensuite une étape de cémentation superficielle 104 permettant d'obtenir une couche cémentée sur une première épaisseur de la pièce ébauchée.

[0072] La couche cémentée subit ensuite une étape d'austénitisation 106 permettant d'obtenir une couche en acier austénitique.

[0073] La couche en acier austénitique subit ensuite une étape de trempe 108 pour obtenir une couche en acier martensitique.

[0074] La couche en acier martensitique subit ensuite une étape de revenu 110 pour obtenir une couche revenue sur la première épaisseur.

[0075] L'étape de revenu 110 peut comprendre plusieurs sous-étape de revenu, par exemple trois sous-étapes de revenu.

[0076] La couche revenue subit ensuite une étape de rectification 112 pour obtenir une couche revenue rectifiée présentant une deuxième épaisseur.

[0077] La couche revenue rectifiée subit ensuite une étape de nettoyage superficiel 114 pour obtenir une couche propre sur la deuxième épaisseur.

[0078] L'étape de nettoyage superficiel 114 permet d'éliminer les résidus pouvant empêcher i'adsorption du gaz de décarburation et de nitruration sur la pièce. Les résidus peuvent être par exemple des résidus de graisse, de poussière, des oxydes, etc.

[0079] La pièce est ensuite placée dans un four de nitruration.

[0080] Dans le four de nitruration, la couche propre subit ensuite une étape de décarburation superficielle 116 pour obtenir une couche décarburée sur une troisième épaisseur, la troisième épaisseur étant strictement inférieure à la deuxième épaisseur.

[0081] Dans le four de nitruration, la couche décarburée subit ensuite une étape de nitruration superficielle 118 pour former une pièce nitrurée en surface sur la troisième épaisseur.

[0082] A titre d'exemple non limitatif, la pièce en acier à durcissement secondaire peut être une pièce en acier M50NÎL.

[0083] Pour l'acier M50NiL, l'étape de cémentation superficielle 104 peut être réalisée à des températures de plateau comprises entre 900°C et 1000°C, par exemple à 950°C pendant 10 heures.

[0084] L'étape d'austénitisation 106 peut être réalisée à des températures de plateau comprises en 1050°C et 1100°C par exemple pendant 30 minutes.

[0085] L'étape de trempe 108 peut être suivie par un traitement cryogénique 120 à des températures comprises entre -70°C et -100°C pendant 1 à 10 heures.

[0086] L'étape de revenu 110 peut comprendre plusieurs sous-étape de revenu, par exemple trois sous-étapes de revenu. Les sous-étapes de revenu peuvent par exemple être réalisées à des températures de plateau comprises entre 500°C et 550°C, pendant 1 à 4 heures chacune.

[0087] Les sous-étapes peuvent être réalisées à la même température de plateau ou non et pendant des temps égaux ou non.

[0088] L'étape de rectification 112 peut enlever de la matière sur une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm.

[0089] L'étape de décarburation superficielle 116 peut être réalisée à des températures de plateau comprises entre 450°C et 550°C, pendant une durée qui est fonction de la troisième épaisseur que l'on souhaite obtenir pour la couche nitrurée de la pièce nitrurée en surface.

[0090] L'étape de nitruration superficielle 118 peut être réalisée à des températures de plateau comprises entre 450°C et 550°C, pendant une durée qui est fonction de la troisième épaisseur.

[0091] Quoique le présent exposé ait été décrit en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

[0092] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

[0093] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims

REVENDICATIONS

[Revendication 1] Procédé de nitruration (100) d'une pièce en acier à durcissement secondaire, le procédé comprenant les étapes suivantes :

- obtention (102) d'une pièce ébauchée en acier à durcissement secondaire ;

- cémentation superficielle (104) de la pièce ébauchée pour obtenir une couche cémentée sur une première épaisseur de la pièce ébauchée ;

- austénitisation (106) de la couche cémentée pour obtenir une couche en acier austénitique ;

- trempe (108) de la couche en acier austénitique pour obtenir une couche en acier martensitique ;

- revenu (110) de la couche en acier martensitique pour obtenir une couche revenue ;

- rectification (112) de la couche revenue pour obtenir une couche revenue rectifiée présentant une deuxième épaisseur ;

- nettoyage superficiel (114) de la couche revenue rectifiée pour obtenir une couche propre ;

- décarburation superficielle (116) de la couche propre dans un four de nitruration pour obtenir une couche décarburée sur une troisième épaisseur, la troisième épaisseur étant strictement inférieure à la deuxième épaisseur ;

- nitruration superficielle (118) de la couche décarburée dans le four de nitruration pour former une pièce nitrurée en surface sur la troisième épaisseur.

[Revendication 2] Procédé de nitruration (100) selon la revendication 1, dans lequel l'acier à durcissement secondaire comprend, en pourcentage massique : 0,1 à 0,4 % de carbone, 0 à 6,0 % de chrome, 0 à 6,0 % de molybdène, 0 à 3,0 % de vanadium, 0 à 20 % de cobalt, 0 à 10 % de nickel et 0 à 3,0 % de tungstène.

[Revendication 3] Procédé de nitruration (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la décarburation superficielle (116) est réalisée avec un mélange d'hydrogène gazeux et de vapeur d'eau.

[Revendication 4] Procédé de nitruration (100) selon la revendication 3, dans lequel le mélange comprend en outre un gaz carboné.

[Revendication 5] Procédé de nitruration (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la trempe (108) est suivie d'un traitement cryogénique (120).

[Revendication 6] Procédé de nitruration (100) selon la revendication 5, dans lequel le traitement cryogénique (120) est réalisé pendant un temps de cryogénisation supérieur ou égal à 1 heure et inférieur ou égal à 10 heures.

[Revendication 7] Procédé de nitruration (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans le lequel la pièce cémentée comprend en surface un taux de carbone supérieur ou égal à 0,8% en masse.

[Revendication 8] Procédé de nitruration (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'austénitisation (106) est réalisée sous vide.

[Revendication 9] Procédé de nitruration (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la nitruration superficielle (118) est une nitruration gazeuse ou une nitruration ionique.

[Revendication 10] Procédé de nitruration (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la cémentation superficielle (104) est une cémentation gazeuse ou une cémentation basse pression.