FR2503191A1 - Highly stressed engine component made of steel - is pptn. hardened to obtain tough core and is boronised on surface - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces mécaniques à haut facteur de charge, en particulier de pièces mécaniques de moteur à explosion, présentant une âme résistante et très solide ainsi qu'une couche superficielle dure et résistante à llu- sure et à la corrosion même aux températures élevées de fonctionnement. The present invention relates to a method for manufacturing mechanical parts with a high load factor, in particular mechanical parts of an internal combustion engine, having a resistant and very solid core as well as a hard surface layer which is resistant to oil and to corrosion even at high operating temperatures.
Lorsqu'au cours du fonctionnement d'une machine des pièces de celle-ci doivent être utilisées à des températures de travail ou de fonctionnement élevées et dans des conditions se modifiant continuellement, par exemple en cas d'augmentation importante et soudaine suivie d'une diminution sensible de la pression, et éventuellement en atmosphère corrosive, en particulier lorsque ces pièces coopèrent sous une forme finale et par exemple produisent des mouvements s'inversant, comme cela est le cas pour de nombreuses pièces de moteur à explosion, elles doivent, pour pouvoir remplir leur fonction pendant une durée suffisamment longue, être conçues pour pouvoir supporter les contraintes extraordinairement complexes qui agissent sur elles. When during the operation of a machine, parts of it must be used at high working or operating temperatures and under continuously changing conditions, for example in the event of a sudden large increase followed by significant reduction in pressure, and possibly in a corrosive atmosphere, in particular when these parts cooperate in a final form and for example produce reversing movements, as is the case for many parts of an internal combustion engine, they must, for be able to perform their function for a sufficiently long time, be designed to be able to withstand the extraordinarily complex constraints which act on them.
Des pièces mécaniques de ce type sont généralement réalisées en acier hautement allié qui, après le façonnage correspondant sont traitées thermiquement par trempe et revenu , ou durcies et/ou soumises à un traitement de diffusion thermochimique dans des produits générateurs de carbone, d'azote ou de bore. Le type de procédé à utiliser dépend en premier lieu du but fixé pour chaque pièce mécanique et des contraintes prévues lors de son emploi, les coûts des procédés de ce type sont relativement élevés, en particulier pour les pièces mécaniques qui nécessitent non seulement un traitement thermochimique, mais encore un traitement thermique postérieur ou antérieur. Mechanical parts of this type are generally made of highly alloyed steel which, after the corresponding shaping is heat treated by quenching and tempering, or hardened and / or subjected to a thermochemical diffusion treatment in products generating carbon, nitrogen or boron. The type of process to be used depends first of all on the purpose fixed for each mechanical part and on the constraints envisaged during its use, the costs of the processes of this type are relatively high, in particular for the mechanical parts which require not only a thermochemical treatment , but also a posterior or anterior heat treatment.
Un but de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication de pièces mécaniques à haut facteur de charge du type mentionné ci-dessus permettant d'obtenir des surfaces de pièces mécaniques qui soient résistantes à un échauffement d'environ 4000C, également à une contrainte de choc ou de friction et également à une déficience de lubrification ou d'une éventuelle attaque d'un produit corrosif et permettant d'obtenir des pièces pouvant subir des efforts sous des charges élevées et variables sans fatigue, lesdites pièces pouvant en outre être obtenues également à des coûts grandement inférieurs à ceux des procédés connus jusqu'ici. An object of the present invention is to provide a process for manufacturing mechanical parts with a high load factor of the type mentioned above, making it possible to obtain surfaces of mechanical parts which are resistant to overheating of about 4000C, also to a impact or friction stress and also a deficiency in lubrication or a possible attack by a corrosive product and making it possible to obtain parts which can undergo stresses under high and variable loads without fatigue, said parts being able to be also obtained at costs much lower than those of the processes known hitherto.
Ce but est atteint par la présente invent ion qui concerne en effet un procédé de fabrication de pièces mécaniques à haut facteur de charge, en particulier de pièces mécaniques de moteur à explosion, présentant une âme résistante et très solide ainsi qu'une couche superfi cielle dure et résistante l'usure et à la corrosion même aux températures élevées de fonctionnement, ledit procédé étant caractérisé par les étapes suivantes
a) On fabrique tout d'abord lesdites pièces à partir d'un matériau de base, à savoir à partir d'un acier microallié, pauvre en carbone, qui présente une teneur de jusqu'à environ 0,2% en poids de vanadium comme générateur de carbure ou de carbonitrure;;
b) On les soumet ensuite à un procédé deboruration au cours duquel, à une température correspondant à la température de mise en solution du vanadium au dessus de la température de transformation du matériau de base en phase X d'environ 860-10000C, le vanadium d'une part se met en solution dans la phase X se trouvant dans le matériau de base et, d'autre part le bore, ayant diffusé à l'intérieur de la surface des pièces mécaniques, forme une couche superficielle de Fe2B de plusieurs dixièmes de millimètres d'épaisseur et,
c) On les soumet enfin à une étape de refroidissement selon une vitesse de refroidissement d'environ 10 à 300C par minute , pour éviter l'apparition de fissure dans la couche superficielle borurée et il en résulte une structure de perlite à grains fins dans le matériau de base ainsi qu'une trempe par durcissement structural procurant une âme de pièce mécanique résistante à solidité élevée. This object is achieved by the present invention which in fact relates to a process for manufacturing mechanical parts with a high load factor, in particular mechanical parts of an internal combustion engine, having a resistant and very solid core as well as a surface layer. hard and resistant to wear and corrosion even at high operating temperatures, said process being characterized by the following stages
a) Firstly said parts are made from a base material, namely from a microalloy steel, poor in carbon, which has a content of up to about 0.2% by weight of vanadium as a carbide or carbonitride generator ;;
b) They are then subjected to a deboruration process during which, at a temperature corresponding to the solution temperature of vanadium above the transformation temperature of the base material in phase X of approximately 860-10000C, vanadium on the one hand dissolves in phase X found in the base material and, on the other hand, the boron, having diffused inside the surface of the mechanical parts, forms a surface layer of Fe2B of several tenths millimeters thick and,
c) Finally, they are subjected to a cooling step at a cooling rate of approximately 10 to 300 ° C. per minute, in order to avoid the appearance of cracks in the borated surface layer and this results in a fine-grained perlite structure in the base material as well as a hardening by structural hardening providing a core of mechanical part resistant to high solidity.
En ce qui concerne le procédé de l'invention on doit noter que l'utilisation d'aciers microalliés à structure à grains fins ou similaires, ainsi que la boruration ou similaire sont connues pour la fabrication de pièces mécaniques. Par contre, ce qui n'est pas connu est d'utiliser, pour une pièce mécanique, un acier micro-allié pauvre en carbone présentant jusqu'à 0,2% en poids de vanadium, comme produit de départ pour la fabrication d'une pièce métallique, de borurer ensuite cette pièce à une température correspondant à la température de mise en solution du vanadium et de la refroidir d'une fa çon telle qu'on obtienne dans le matériau de base une structure de perlite à grains fins et une trempe par durcissement structural. With regard to the process of the invention, it should be noted that the use of microalloyed steels with a fine-grained structure or the like, as well as boriding or the like are known for the manufacture of mechanical parts. On the other hand, what is not known is to use, for a mechanical part, a low-carbon micro-alloyed steel having up to 0.2% by weight of vanadium, as starting material for the manufacture of a metal part, then boronizing this part at a temperature corresponding to the temperature of dissolving the vanadium and cooling it in such a way that one obtains in the base material a structure of fine-grained perlite and a hardening by structural hardening.
Une pièce mécanique obtenue selon le procédé de l'invention ne nécessite aucun traitement thermique supplémentaire et présente cependant au moins les mêmes bonnes propriétés qu'une pièce mécanique obtenue à partir d'un acier plus fortement allié, boruré et trempé. A mechanical part obtained according to the method of the invention does not require any additional heat treatment and nevertheless exhibits at least the same good properties as a mechanical part obtained from a more highly alloyed, borided and hardened steel.
Un avantage important du procédé selon l'invention réside en ce que l'utilisation d'acier micro-allié moins cher qu'un acier plus fortement allié permet déjà d'économiser sur le coAt du matériau. Une autre baisse du coût réside en ce que, par le procédé de l'invention, d'une part on supprime l'étape très conteuse, de traitement thermique par trempe et revenu nécessaire pour l'obtention des propriétés requises et, d'autre part, le procédé de boruration est le procédé thermique le plus économique en vue d'obtenir une couche superficielle à très haute dureté et une résistance à l'usure et à la corrosion élevée.An important advantage of the method according to the invention lies in that the use of cheaper micro-alloy steel than a more highly alloyed steel already makes it possible to save on the cost of the material. Another reduction in the cost lies in the fact that, by the process of the invention, on the one hand, the very storytelling step of heat treatment by quenching and tempering necessary for obtaining the required properties is eliminated and, on the other On the other hand, the boronization process is the most economical thermal process with a view to obtaining a surface layer with very high hardness and a high resistance to wear and corrosion.
De façon avantageuse, le traitement thermique relativement simple selon l'invention rend possible un durcissement extrême de la surface et une grande solidité de l'amie même pour des pièces de forme compliquée qui ne peuvent etre soumises sans inconvénients à plusieurs échauffement et refroidissement rapides dans le cadre d'un traitement thermique après durcissement thermochimique extrême de la surface au moyen d'une couche fragile relativement fine. Advantageously, the relatively simple heat treatment according to the invention makes possible an extreme hardening of the surface and a great solidity of the friend even for parts of complicated shape which cannot be subjected without disadvantages to several rapid heating and cooling in as part of a heat treatment after extreme thermochemical hardening of the surface by means of a relatively thin brittle layer.
En outre le traitement thermique selon l'invention confère une solidité élevée à l'âme des pièces et permet en même temps également la formation d'une couche superficielle dure qui soit la plus épaisse possible en fonction de l'alliage constituant le matériau de départ choisi conformément à l'invention. In addition, the heat treatment according to the invention gives a high solidity to the core of the parts and at the same time also allows the formation of a hard surface layer which is as thick as possible depending on the alloy constituting the starting material. chosen according to the invention.
Les pièces mécaniques sont tout d'abord obtenues à partir d'un acier micro-allié générateur de grains fins. Les aciers micro-alliés sont normalement caractérisés par de petites additions, environ jusqu'à 0,2e en poids d'aluminium, niobium, titane, ziconium et vanadium, en tant que générateurs de carbure ou de carbonitrure. The mechanical parts are first of all obtained from a micro-alloy steel which generates fine grains. Micro-alloyed steels are normally characterized by small additions, approximately up to 0.2% by weight of aluminum, niobium, titanium, ziconium and vanadium, as generators of carbide or carbonitride.
Pour le procédé de l'invention on utilise surtout un acier avec jusqu'à 0,2% en poids de vanadium en tant que générateur de carbure ou de carbonitrure, car seul le vanadium présente la propriété de passer complètement en solution dans l'austénite à la température inférieure à 10000C à laquelle on peut effectuer une boruration. For the process of the invention, a steel is used above all with up to 0.2% by weight of vanadium as a carbide or carbonitride generator, since only vanadium has the property of passing completely into solution in austenite at the temperature below 10000C at which boriding can be carried out.
Ledit acier micro-allié présente en plus du vanadium comme constituant de base du fer, de préférence moins de 0,4% en poids de carbone et de plus, les additifs d'alliages habituels. Parmi ces additifs on doit citer en premier lieu le manganèse utilisé en vue d'augmenter la solidité à raison de jusqu'à 3% en poids et également une quantité plus faible de silicium inférieure à 0,6% en poids. Said micro-alloyed steel has, in addition to vanadium as the basic constituent of iron, preferably less than 0.4% by weight of carbon and, moreover, the usual alloy additives. Among these additives, mention should be made first of all of the manganese used in order to increase the solidity in an amount of up to 3% by weight and also a lower quantity of silicon of less than 0.6% by weight.
Comme autres additifs à l'acier micro-allié utilisés dans la présente invention on peut avantageusement utiliser également du molybdène, du nickel, du cuivre et également éventuellement du chrome avec une teneur, pour chacun de ces additifs, comprise entre O et 0,5% en poids.As other additives to the micro-alloyed steel used in the present invention, it is also advantageous to use molybdenum, nickel, copper and also optionally chromium with a content, for each of these additives, of between 0 and 0.5 % in weight.
L'addition de molybdène sert surtout à diminuer la vitesse du refroidissement nécessaire à la formation de perlite ce qui permet de réduire le risque de formation de fissures dans la couche superficielle borurée. The addition of molybdenum is used above all to reduce the cooling rate necessary for the formation of perlite, which makes it possible to reduce the risk of formation of cracks in the borated surface layer.
En outre il peut être souhaitabie que l'acier utilisé selon l'invention contienne en plus du vanadium, du niobium comme autre générateur de grains fins, suivant toutefois une teneur inférieure à celle du vanadium. Furthermore, it may be desirable for the steel used according to the invention to contain, in addition to vanadium, niobium as another generator of fine grains, however according to a content lower than that of vanadium.
Après l'obtention de la forme définitive de la pièce mécanique, on soumet celle-ci au cours de la seconde étape à un procédé de boruration. Pour ce faire, la pièce mécanique est environnée dans un récipient d'un produit générateur de bore. After obtaining the final shape of the mechanical part, it is subjected during the second step to a boriding process. To do this, the mechanical part is surrounded in a container of a boron-generating product.
On chauffe ensuite la pièce à une température d'environ 860-10000C, supérieure à la température de transformation du matériau de base, ladite température correspondant à la température de mise en solution du vanadium dans le matériau de base, et on la maintient à cette température pendant une durée de plusieurs heures, cette durée étant dépendante de l'épaisseur souhaitée pour la couche. I1 s'ensuit, d'une part une mise en solution du vanadium dans la phaserdu matériau de base et d'autre part, une diffusion du bore libéré par le produit générateur de bore à la surface de la pièce mécanique et donc la formation d'une couche superficielle de Fe2B de quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur. The part is then heated to a temperature of approximately 860-10000C, higher than the transformation temperature of the base material, said temperature corresponding to the temperature of dissolving vanadium in the base material, and it is maintained at this temperature. temperature for a period of several hours, this period being dependent on the thickness desired for the layer. It follows, on the one hand, a dissolution of the vanadium in the phaser of the base material and, on the other hand, a diffusion of the boron released by the boron generating product on the surface of the mechanical part and therefore the formation of 'a surface layer of Fe2B a few tenths of a millimeter thick.
L'épaisseur de la couche superficielle ainsi formée dépend du carbone et de certains constituants d'alliage présents dans l'acier. The thickness of the surface layer thus formed depends on the carbon and certain alloying constituents present in the steel.
La faible teneur en carbone de l'acier micro-allié utilisé selon l'invention favorise la formation de la couche borurée. Pour la fabrication d'engrenage et l'adhérence de la couche superficielle borurée sur le matériau de base, d'autres constituants d'alliage de l'acier ont egalement de l'importance. Le manganèse et le nickel n'influencent guère l'épaisseur de la couche et la fabrication d'engrenage. Le nickel comme le carbone et le silicium sont poussés vers l'intérieur par le bore ayant diffusé et s'accumulent sous la couche superficielle de Fe2B. Le vanadium serait préjudiciable à l'épaisseur de la couche et à la qualité de l'engrenage seulement si sa teneur dépassait C,28 environen poids. Ce ne peut être le cas pour l'acier micro-allié utilisé dans la présente demande. The low carbon content of the micro-alloyed steel used according to the invention promotes the formation of the borated layer. Other components of the steel alloy are also important for the production of gears and the adhesion of the boronated surface layer to the base material. Manganese and nickel have little influence on the thickness of the layer and the manufacture of gears. Nickel like carbon and silicon are pushed inward by the boron having diffused and accumulate under the surface layer of Fe2B. Vanadium would be detrimental to the thickness of the layer and to the quality of the gear only if its content exceeded about C.28 by weight. This cannot be the case for the micro-alloyed steel used in the present application.
Après le procédé de boruration, on soumet les pièces métalliques à un procédé de refroidissement au cours d'une troisième étape. On effectue ce dernier principalement à une vitesse de refroidissement de 10 à 300C par minute. Comme indiqué plus haut en ce qui concerne l'addition de molybdène, on peut également obtenir une formation de structure de perlite à grains fins et une trempe par durcissement structurale dans le matériau de base avec une vitesse de refroidissement encore plus faible au moyen de petites quantités appropriées d'additifs d'alliage. D'éventuelles zones ferritique résiduelles sont soit négligeables soit rassemblées à l'intérieur de la pièce de telle sorte qu'elles ne peuvent causer aucune influence défavorable aux qualités requises pour la pièce. After the boriding process, the metal parts are subjected to a cooling process in a third step. The latter is mainly carried out at a cooling rate of 10 to 300 ° C. per minute. As indicated above with regard to the addition of molybdenum, fine-grained perlite structure formation and structural hardening quenching in the base material can also be achieved with an even lower cooling rate by means of small appropriate amounts of alloy additives. Any residual ferritic zones are either negligible or gathered inside the part so that they cannot cause any adverse influence on the qualities required for the part.
Une vitesse relativement lente admissible pour le changement de structure, permet en même temps d'éviter l'apparition de fissures dans la couche superficielle borurée. A relatively slow speed permissible for the change of structure, at the same time avoids the appearance of cracks in the borated surface layer.
Par le procédé de l'invention on obtient des pièces de machines résistantes aux oscillations qui grace à leur couche superficielle borurée, présentent à température ambiante, une dureté d'environ 2000 HV et sont également très résistantes à l'usure et à la corrosion aux températures plus élevées, par exemple 4000C. By the process of the invention, machine parts are obtained which are resistant to oscillations which, thanks to their borated surface layer, have a hardness of about 2000 HV at room temperature and are also very resistant to wear and corrosion. higher temperatures, for example 4000C.
Le procédé selon l'invention convient en particulier pour la fabrication de pièces de moteur à explosion à haut facteur de charge, comme des t8tes de piston avec des surfaces boruréesen totalité ou seulement dans les zones de gorge des segments de piston et de fonds de piston, ou des supports de segment avec des surfaces borurées en totalité ou seulement dans les zones de gorge des segments. En outre le procédé selon l'invention convient pour la fabrication de têtes de cylindre et de chemises avec des surfaces borurées du coté de la chambre de combustion. The process according to the invention is particularly suitable for the production of high load factor internal combustion engine parts, such as piston heads with fully or only boronised surfaces in the groove areas of the piston rings and piston bottoms. , or segment supports with surfaces fully or only in the groove areas of the segments. In addition, the method according to the invention is suitable for the manufacture of cylinder heads and liners with borated surfaces on the side of the combustion chamber.
On peut également utiliser le procédé selon l'invention pour fabriquer des vilebrequins, des arbres à came ou des disques dont tout ou partie de la surface doit être borurée. It is also possible to use the method according to the invention for manufacturing crankshafts, camshafts or discs of which all or part of the surface is to be borided.
On peut également fabriquer des pignons pourmécanismes d'entratnement qui peuvent présenter au moins dans la zone d'engrènement une couche superficielle borurée. Le procédé selon l'invention peut servir à la fabrication de chemises à surfaces cylindriques borurées. L'utilisation du procédé selon l'invention n'est pas limitée à la fabrication des pièces mécaniques citées ci-dessus mais s'étend àux autres pièces mécaniques qui doivent satisfaire aux contraintes du même type. It is also possible to manufacture pinions for drive mechanisms which may have, at least in the engagement zone, a borated surface layer. The process according to the invention can be used for the production of liners with borated cylindrical surfaces. The use of the method according to the invention is not limited to the manufacture of the mechanical parts mentioned above but extends to other mechanical parts which must satisfy the constraints of the same type.
Claims (9)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE3113420 | 1981-04-03 |
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FR2503191A1 true FR2503191A1 (en) | 1982-10-08 |
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FR (1) | FR2503191A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP0438268A1 (en) * | 1990-01-18 | 1991-07-24 | Taiho Kogyo Co., Ltd. | Boronized sliding material having high strength and method for producing the same |
Citations (1)
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DE2407540A1 (en) * | 1974-02-16 | 1975-09-04 | Karl Hehl | PROCESS FOR MANUFACTURING WEAR-RESISTANT PLASTICIZING SCREWS OR PLASTICIZING CYLINDERS |
-
1982
- 1982-04-02 FR FR8205708A patent/FR2503191A1/en active Granted
- 1982-04-02 JP JP5394782A patent/JPS57177968A/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE2407540A1 (en) * | 1974-02-16 | 1975-09-04 | Karl Hehl | PROCESS FOR MANUFACTURING WEAR-RESISTANT PLASTICIZING SCREWS OR PLASTICIZING CYLINDERS |
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Title |
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ELEKTROW[RME INTERNATIONAL, vol. 35, no. 2, avril 1977, pages 79-83; H. FUCHS: "Thermische Behandlung durch Borieren - Beispiele der industriellen Anwendung" * |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS57177968A (en) | 1982-11-01 |
FR2503191B1 (en) | 1985-07-05 |
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