FR2460340A1

FR2460340A1 - Surface hardening of steel by nitriding and then chromising - esp. to obtain tough surface in bore of rifled for machine guns or aircraft cannon

Info

Publication number: FR2460340A1
Application number: FR7916916A
Authority: FR
Original assignee: SYGEODA SA
Current assignee: SYGEODA SA
Priority date: 1979-06-29
Filing date: 1979-06-29
Publication date: 1981-01-23
Also published as: BE884010A

Abstract

Stell is nitrided (I) at 500-570 degrees C., and is then chromised (II) at a suitable temp., cooled, washed, and next reheated to more than 25-30 degrees C above the Ac3 point and cooled in air. Coating (II) is pref. obtd. at 850-1050 degrees C when the steel contains 0.8-2% C. Pref. steel has compsn. 0.5-1.5% Cr, 0.15-0.25% Mo, 0-3.5% Ni, and max. 1.2% Al. Coatings (I, II) are pref. applied to the bore of a tube suspended in a furnace with a protective atmos.; and after final heating and air cooling, the steel pref. has a sorbitic or troostitic structure. Steel components pref. include sharp edges and are used esp. in cannons. Combined coating is much tougher than the individual coatings, so the sharp edges in rifled gun barrels are not easily damaged.

Description

La présente invention perte sur an erocéjà de tiai tement d'aciexs en vue de leur conférer des propriétés @@@ auiq amélioréus et s'ètend aux produits obtents pur le procéde
On connaît de nombreux procédés de traitement th.ermochimiques par lesquels on modifie elus ou moins profondément la nature du métal par diffusion d'un élément d'alliage à partin de sa surface.The present invention loss on an erocéjà of tiai ty of aciexs in order to confer them properties @@@ auiq improvedus and extends to the obtained products for the process
Numerous th.ermochemical treatment methods are known, by which the nature of the metal is modified more or less deeply by diffusion of an alloying element from its surface.

Ces traitements pentent consister notamment en une opération d'enrichissement en un élément alliant par diffusion à l'état solide au depart d'une atmosphère gazeuse capable de four-
Air l'élément alliant.These treatments may consist in particular of an enrichment operation in an element combining by diffusion in the solid state at the start of a gaseous atmosphere capable of providing
Air the combining element.

C'est ainsi que l'on pratique la chromisstion en sommettant des pièces métalliques à une atmosphère de fluorure ou de chlorure de chrome à une temperature de l'ordre de 900 à 1000 C. On obtient de cette manière par diffusion à partir de la surface, une couche superficielle de carbure de chrome de l'ordre de 20 a 25À de très grande durete, atteignant de 1800 a 2000 HVB
Cependant, la température nécessairement élevée du traitement entraîne un recuit du métal sous-jacent qui rend nécessaire une retrempe de ce métal afin d'obtenir une résistance mécanique adé- guate.De plus, on observe que le matériau obtenu est fragile, c'est-à-dire quiil présente une résilience faible, et en particulier que les aretes vives sont cassantes, cc qui rend impossibl l'utilisation du matériau pour certaines applications particulières.This is how chromisstion is practiced by summing metal parts to an atmosphere of fluoride or chromium chloride at a temperature of the order of 900 to 1000 C. This is obtained by diffusion from surface, a surface layer of chromium carbide of the order of 20 to 25A of very high hardness, reaching from 1800 to 2000 HVB
However, the necessarily high temperature of the treatment leads to an annealing of the underlying metal which makes it necessary to re-temper this metal in order to obtain adequate mechanical resistance. In addition, it is observed that the material obtained is fragile, ie quiil presents a weak resilience, and in particular that the sharp edges are brittle, cc which makes impossible the use of the material for certain particular applications.

La nitruration est un procédé du même type qui consiste en un traitement d'enrichissement de la surface de l'acier en azote naissant a une température inférieure a l'A c3 (c'est-à-dire la température de début de formation de l'austénite lors du chauffage d'un acier). La diffusion de l'azoce dans l'acier entraine des contraintes internes en compression du réses cristallin , , qui a pour résultat de multiplier la limite de fatigue des pièces par des valeurs atteignant jusqu'à 7,5 soi; la valeur initiale. Le traitement de nitruration est tonc latge ment utilisé pour les pièces soumises àn fatique. Les durerés que l'on peut réaliser sont cependant plus hasses que celles obtenues par chromisation et sont de l'erdre de 550 à 1100 HVB. Nitriding is a process of the same type which consists in a treatment for enriching the surface of the steel with nascent nitrogen at a temperature below the A c3 (that is to say the temperature at the start of formation of austenite when heating a steel). The diffusion of azoce in steel causes internal stresses in compression of the crystalline resin, which has the result of multiplying the fatigue limit of the parts by values reaching up to 7.5 itself; the initial value. The nitriding treatment is generally used for parts subject to fatigue. The durations that can be achieved are, however, easier than those obtained by chromization and are of the order of 550 to 1100 HVB.

La couche supertlcielle obtenue est c@@endant ele aussi fragile et no convient pas pour une utilisation en aréte vive par suite de leur trop faible résilience. The supertlcial layer obtained is also fragile and not suitable for use with a sharp edge due to their too low resilience.

D'autres procédés connus ne permettent pas non plus de résoudre le problème de fragilité des surfaces-durcies rendant inutilisables les matériaux traités en aréte vive. Other known methods also do not make it possible to solve the problem of brittleness of the hardened surfaces rendering the materials treated with sharp edges unusable.

Dans certaines applications particulières, en particulier pour les canons d'armes de tir précis, qui doivent étre nécessairement rayés, on doit éviter a la fois une fragilité des arêtes vIves résultant du rainurage du canon et obtenir und dureté élevée de la surface qui évite l'usure par abrasion. De plus, le métal traité doit présenter à la fois une bonne rdsis- tance a la corrosion sèche, qui résulte essentiellement de phé- nomènes d'oxydation a température élevée et une bonne résistance la corrosion humide qui résulte d'une attaque par les sousproduits de combustion des poudres en présence d'humidité atmos phérique. In certain particular applications, in particular for the guns of precise shooting weapons, which must be necessarily scratched, one must avoid at the same time a brittleness of the sharp edges resulting from the grooving of the gun and obtain a high hardness of the surface which avoids the by abrasion. In addition, the treated metal must exhibit both good resistance to dry corrosion, which results essentially from oxidation phenomena at high temperature, and good resistance to wet corrosion, which results from attack by by-products. combustion of powders in the presence of atmospheric humidity.

Aucun procédé ne permet jusqu a présent d'atteindre les résultats recherchés et décrits ci-dessus. No process has so far achieved the results sought and described above.

Ces résultats recherchés peuvent être obtenus selon la présente invention par le fait qu'on effectue sur un acier successivement un traitement de nitruration à une tempétature de l'ordre de 500 a 5700 C suivi d'un traitement de chromisation a une température adaptee a la nature de l'acier (et généralement comprise entre 8500 et 10500 C, de préférence de l'ordre de 9000 C) et ensuite qu'après refroidissement et lavage, on réchauffe le métal traité à une température supérieure de 25 a 300 C de 1'AC3 de l'acier en cause et réalise une trempe a l'air. These desired results can be obtained according to the present invention by the fact that a nitriding treatment is carried out successively on a steel at a temperature of the order of 500 to 5700 ° C. followed by a chromization treatment at a temperature adapted to the nature of the steel (and generally between 8500 and 10500 C, preferably of the order of 9000 C) and then that after cooling and washing, the treated metal is heated to a temperature higher than 25 to 300 C by 1 'AC3 of the steel in question and performs air quenching.

On constate qu'une opération qui devrait consister en la superposition de deux couches fragiles successives, se traduit par le fait qu'on obtient une couche mixte probablement constituée de chromonitrures qui tout en conservant la haute dureté et la résistance à l'abrasion et aux corrosions qui caractérisent la chromisation (1800 à 2000 HVB) , ne présente plus le caractère de fragilité propre aux produits ayant subi une chromisation ou une nitruration. Ceci était totalement inattendu et permet de résoudre les difficultés prémentionnées, en offrant aux aciers ainsi traités une large application dans le domaine des canons d'armes à tir précis, telles que les mitrailleuses et canons légers d'avion. It is found that an operation which should consist of the superposition of two successive fragile layers, results in the fact that a mixed layer is probably obtained, probably made up of chromonitrides which, while retaining the high hardness and resistance to abrasion and to corrosions which characterize chromisation (1800 to 2000 HVB), no longer have the brittleness characteristic of products having undergone chromisation or nitriding. This was completely unexpected and makes it possible to resolve the aforementioned difficulties, by offering the steels thus treated a wide application in the field of guns for precise fire weapons, such as machine guns and light aircraft guns.

Le choix de l'acier de base a utiliser dépendra essentiellement des propriétés particulières recherchées. I1 convient cependant de choisir un acier qui convienne pour subir les traitements de nitruration et de chromisation, les nuances d'acier utilisable étant bien connues de l'homme de l'art. The choice of the base steel to be used will essentially depend on the particular properties sought. It is however advisable to choose a steel which is suitable for undergoing the nitriding and chromizing treatments, the grades of steel which can be used are well known to those skilled in the art.

A titre d'indication, on notera ainsi que pour obtenir une chromisation convenable, il importe de choisir un acier présentant une teneur en carbone de l'ordre de 0,8 a 2%. By way of indication, it will thus be noted that in order to obtain a suitable chromization, it is important to choose a steel having a carbon content of the order of 0.8 to 2%.

Pour que la nitruration s'effectue convenablement, il convient généralement de choisir une teneur en chrome de l'acier de 0,5 a 1,5%, une teneur en molybdène de 0,15 a 0,25%, une teneur en nickel de O a 3,5% et la teneur habituelle en aluminium variant de quelques dixibms de z provenant de résidus de calmage de l'acier jusqu'a 1,208 des aciers de nitruration classiques. Les conditions opératoires et de composition qui sont nécessaires sont bien connues de l'homme de l'art, en particulier pour éviter la fragilité de revenu des aciers. In order for nitriding to take place properly, it is generally advisable to choose a chromium content of the steel of 0.5 to 1.5%, a molybdenum content of 0.15 to 0.25%, a nickel content. from 0 to 3.5% and the usual aluminum content varying from a few tenibms of z coming from steel quenching residues up to 1.208 from conventional nitriding steels. The operating and composition conditions which are necessary are well known to those skilled in the art, in particular to avoid the brittleness of tempering of the steels.

De plus, il convient bien entendu de choisir un alliage présentant des caractéristiaues convenables pour qu'une trempe a l'air soit possible, c'est a dire dont la teneur en carbone et manganèse est adaptée. In addition, it is of course appropriate to choose an alloy having suitable characteristics so that air quenching is possible, that is to say the carbon and manganese content is suitable.

Pour la mise en pratique du procédé de l'invention, l'invention apporte encore une série de détails opératoires qui permettent en particulier de traiter de manière simple et efficace les pièces qui, tels les canons d'arme, présentent un rapport élevé de la longueur a l'alésage. En effet, on sait que pour de tels canons et les tubes de grande longueur en général, il est difficile d'effectuer un traitement thermique aux températures de l'ordre de 9000 C généralement nécessaires à la chromisation, sans que le tube ne se déforme sous son propre poids et consécutivement a la libération des tensions dues au mécanisage. Du fait que les couches superficielles traitées sont de très faible épaisseur (de l'ordre de 408 ), une flèche même minime ne peut pas être corrigée par une rectification ultérieure. For putting the method of the invention into practice, the invention also provides a series of operational details which make it possible in particular to treat in a simple and effective manner the parts which, such as gun barrels, have a high ratio of the length at bore. Indeed, it is known that for such guns and very long tubes in general, it is difficult to carry out a heat treatment at temperatures of the order of 9000 C generally necessary for chromization, without the tube being deformed under its own weight and following the release of tensions due to mechanization. Because the surface layers treated are very thin (around 408), even a slight deflection cannot be corrected by subsequent rectification.

Pour apporter une solution a cette difficulté, il est proposé selon l'invention d'utiliser le tube méme qui doit subir l'opération de chromisation interne comme réservoir pour les poudres de sels de chrome utilisées, ce tube étant suspendu librement dans un four sous atmosphère protectrice (par exemple, atmosphère d'hydrogène ou d'hélium). De cette manière on évite tout défaut de rectilinéarité du tube et simultanément une chromisation régulière et efficace. To provide a solution to this difficulty, it is proposed according to the invention to use the same tube which must undergo the internal chromization operation as a reservoir for the powders of chromium salts used, this tube being suspended freely in an oven under protective atmosphere (for example, hydrogen or helium atmosphere). In this way, any defect in the rectilinearity of the tube is avoided and at the same time regular and effective chromization.

Des déformations sont également possibles lorsque les tubes sont soumis a la trempe qui est nécessaire après le traitement thermique de chromisation, celle-cientrainant par suite de sa température élevée un recuit du métal de base. Deformations are also possible when the tubes are subjected to the quenching which is necessary after the chromizing heat treatment, this cientrainant resulting from its high temperature annealing of the base metal.

Selon l'invention, il est prévu de reconstituer la structure métallographique trempée de nature sorbitique ou trooslitique au del! de l'AC 3 par chauffage en suspension libre dans une atmosphère protectrice en entourant ensuite le tube a traiter d'une gaine en forme de couronne centrée sur le tube et percée de trous régulièrement espacés par lesquels on insuffle de l'air pour réaliser une trempe a l'air. Bien entendu, la nature du métal de base doit être choisie de manière adéquate pour disposer d'un acier trempable à l'air. According to the invention, provision is made to reconstruct the tempered metallographic structure of sorbitic or trooslitic nature beyond! of AC 3 by heating in free suspension in a protective atmosphere, then surrounding the tube to be treated with a crown-shaped sheath centered on the tube and pierced with regularly spaced holes through which air is blown to achieve a air quenching. Of course, the nature of the base metal must be chosen adequately to have an air quenchable steel.

Pour ce qui concerne les opérations successives de nitruration, de chromisation et de trempe à l'air, aucune explication détaillée n'est nécessaire car l'homme de l'art adaptera les conditions opératoires choisies selon les connaissances générales de techniques particulières utilisées, pour les compositions et en fonction de la nature du métal traité. As regards the successive operations of nitriding, chromizing and air quenching, no detailed explanation is necessary since the person skilled in the art will adapt the operating conditions chosen according to the general knowledge of particular techniques used, to the compositions and depending on the nature of the metal treated.

En effet, ces conditions restent identiques aux conditions que l'on choisirait pour les traitements s'ils étaient réalisés individuellement. En d'autres mots, le fait qu'une nitruration est combinée avec une chromisation n'influence pas le déroulement normal de ces opérations. Ceci s applique aussi a la trempe a l'air ultérieure. Indeed, these conditions remain identical to the conditions that one would choose for the treatments if they were carried out individually. In other words, the fact that nitriding is combined with chromization does not influence the normal course of these operations. This also applies to subsequent air quenching.

Seul le résultat, surprenant dans sa nature, obtenu par la combinaison nouvelle de l'invention d'une nitruration et d'une chromisation, à savoir la réalisation d'un traitement de durcissement superficiel qui ne rend pas fragiles les aretes vives, distingue l'invention des traitements individuels de nitruration et de chromisation. Only the result, surprising in its nature, obtained by the new combination of the invention of nitriding and chromizing, namely the carrying out of a surface hardening treatment which does not make the sharp edges fragile, distinguishes l invention of individual nitriding and chromizing treatments.

L'invention sera décrite plus en détail, a titre d'illustration, sans caractère limitatif, à l'aide de l'exemple qui suit
Exemple
Une pièce en acier 56 Ni Cr Mo V7 (norme allemande W. 2714 d'analyse
C 0,55
Cr 1
N 1,7 Mu 0,5
V 0,1 se présentant sous forme d'un tube de diamètre 16/7.65 d'une longueur de 550 mm ayant subi une trempe à 860 - 900 C et un revenu à 600 C pour réaliser une charge de rupture R de 125 kg/ cm est soumis à une nitruration de 10 h à 525 C et de 9 h à 5700 C (atmosphère NH3). The invention will be described in more detail, by way of illustration, without limitation, using the following example
Example
One piece of steel 56 Ni Cr Mo V7 (German standard W. 2714 for analysis
C 0.55
Cr 1
N 1.7 Mu 0.5
V 0.1 in the form of a tube of diameter 16 / 7.65 with a length of 550 mm which has been quenched at 860 - 900 C and tempered at 600 C to produce a breaking load R of 125 kg / cm is subjected to nitriding from 10 h at 525 C and from 9 h at 5700 C (NH3 atmosphere).

On réalise ensuite une chromisation sous atmosphère protectrice d'hélium à 870 - 9500 C pendant 6 à 10 heures. La chromisation se réalise en suspendant le tube librement et en rotation continue (6tours/min), la composition de chromisation étant placée à l'intérieur du tube qui est fermé aux deux extrémités par des bouchons en argile, le bouchon supérieur étant foré en son centre par un trou de 1 a 2 mm de diamètre. Chromization is then carried out under a protective helium atmosphere at 870 - 9500 C for 6 to 10 hours. The chromization is carried out by hanging the tube freely and in continuous rotation (6 turns / min), the chromization composition being placed inside the tube which is closed at both ends by clay plugs, the upper plug being drilled in its center by a hole of 1 to 2 mm in diameter.

On place ensuite l'assemblage du tube et du dispositif de rotation au centre d'une couronne (diamètre 250 mm) en spirale composée d'un tube d'acier Martin-Siemens de 15 mm de diamètre, percée sur sa partie intérieure de trous de 2 mm également espacés tous les 25 mm, que l'on alimente, de préférence pa le bas en air à une température inférieure ou égale à 20 C sous pression de 1,5 kg/cm2. La pièce est ainsi maintenue en rotation régulière jusqu'à refroidissement en dessous de 1000 C. The assembly of the tube and the rotation device is then placed in the center of a spiral crown (diameter 250 mm) composed of a Martin-Siemens steel tube 15 mm in diameter, drilled on its inner part with holes of 2 mm also spaced every 25 mm, which is supplied, preferably pa bottom with air at a temperature less than or equal to 20 C under pressure of 1.5 kg / cm2. The part is thus kept in regular rotation until cooling below 1000 C.

Claims

1. Process for treating steel parts, characterized in that

that a steel treatment is carried out successively

nitriding at a temperature of the order of 5000 C to 5700 C

followed by chromization treatment at a temperature

adapted to the nature of the steel and then only after cooling

sation and washing, the treated metal is heated to a tempera

from 25 C to 30 C of AC3 of the steel in question

and performs air quenching.

2. Method according to claim 1 characterized in that the

chromization is carried out at a temperature between

8500 C and 10500 C for a steel with a content of

carbon in the range of 0.8 to 2.

3. Method according to claim 1 or 2 characterized in that

the steel has a chromium content of 0.5 to 1.5%, a content

in molybdenum from 0.15 to 0.25%, a nickel content of O 9

3.5% and an aluminum content of a few tenths of%

at 1.208.

4. Method according to any one of claims 1 to 3

characterized in that a tube which is to undergo the operation of

internal chromization is used as a reservoir for

powders of chromium salts used, this tube being suspended

freely in an oven under a protective atmosphere.

5. Method according to any one of claims 1 to 4

characterized in that after chromization, the

metallographic structure quenched by a sorbitic nature by

heating in free suspension in a protective atmosphere

or trooslitic by surrounding the tube to be treated with a sheath

crown shaped centered on the tube and pierced with holes

regularly spaced by which air is blown

to quench in air.

6. Metal parts with good mechanical resistance

sharp edges.

7. Application of the metal parts according to claim 6

as a gun.