FR2551770A1 - Procede de traitement de surface d'une piece metallique par refusion et produits obtenus - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE TRAITEMENT DE SURFACE D'UNE PIECE EN UN MATERIAU METALLIQUE TEL QUE FONTE, ALLIAGES D'ALUMINIUM OU ANALOGUES, EN VUE DE FORMER SUR SA SURFACE UNE COUCHE DE TRAITEMENT PAR REFUSION. CONFORMEMENT A L'INVENTION ON CREE SUR LA SURFACE DE LA PIECE 1 UNE PARTIE FONDUE 11 PAR UN ARC DE PLASMA 10 ET FAIT ENSUITE SOLIDIFIER LA PARTIE FONDUE PAR REFROIDISSEMENT, EN INTRODUISANT LE LONG DE L'ARC DE PLASMA UN AGENT D'ADDITION 12 CONSTITUE PAR UNE POUDRE D'UN MATERIAU METALLIQUE DIFFERENT DE CELUI DE LA PIECE OU DE TOUT AUTRE TYPE, DANS LA PARTIE FONDUE 11 DE MANIERE A L'Y MELANGER A FORCE, CET AGENT POUVANT ETRE UN METAL TEL QUE NI, CR, MO OU ANALOGUE, DES ALLIAGES DESDITS METAUX, DES CARBURES TELS QUE WC, SIC, MOC, CRC, BC OU ANALOGUE, DES BORURES TELS QUE BN, TIB OU ANALOGUE, DES SULFURES TELS QUE MOS, WS, FES OU ANALOGUE, ET DES OXYDES TELS QUE ALO, SIO OU ANALOGUE. L'INVENTION DONNE UNE AMELIORATION DE LA RESISTANCE A L'ABRASION ET A L'USURE.

Description

I

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La présente invention concerne un procédé de traitement de surface qui est appliqué à une pièce telle qu'une came d'actionnement de soupape pour un moteur, par exemple, de manière à donner une propriété de haute ré5 sistance à l'abrasion ou à l'usure à une surface de

glissement de la pièce.

Dans un procédé connu de ce type, une pièce constituée d'un matériau métallique comme de la fonte ou analogue, est pourvue sur sa surface d'une couche 10 traitée par refusion dans un processus o on produit sur la surface une partie fondue au moyen d'un arc à plasma et o la partie refondue-est ensuite solidifiée par refroidissement Conformément à ce procédé, la couche de traitement obtenue par refusion est seulement 15 une couche durcie de structure trempée obtenue par augmentation de la vitesse de refroidissement au moment de la solidification de la partie fondue par refroidissement, par exemple, et elle est par conséquent défectueuse du fait que, dans le cas de l'application 20 de ce procédé à une came d'actionnement de soupape, par exemple, il n'est pas toujours facile de lui

conférer une propriété de résistance à l'usure suffisamment grande.

Pour une pièce possédant sur sa surface de 25 glissement une propriété de résistance à l'usure et une propriété de résistance à l'abrasion on connaît un procédé de fabrication faisant appel à la métallurgie des poudres et suivant lequel une poudre d'une matière métallique servant de matière de base et une poudre de sulfure sont mélangées ensemble et le mélange résultant est moulé sous pression et est fritté; on connaît également un autre procédé de fabrication par un processus de coulée suivant lequel on ajoute àun métal en fusion une poudre de sulfure et o le mélange 35 résultant est agité et coulé Cependant, ces procédés

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sont désavantageux en ce qui concerne le coat, du fait que le sulfure, qui est comparativement coûteux, intervient du fait du mélange également dans une partie inutile de la pièce En outre, le sulfure est maintenu à une température élevée pendant un temps comparativement long, pendant l'étape de frittage dans le procédé de métallurgie des poudres et pendant l'intervalle s'écoulant entre l'étape de chargement et l'étape de solidification dans le processus de coulée, de sorte que les 10 particules de sulfure sont décomposées et que la quantité restante devient très petite, ce qui rend difficile l'obtention d'un produit ayant des propriétés suffisamment bonnes de résistance à l'usure et de

résistance à l'abrasion.

Cette invention a pour objet un procédé de traitement de surface permettant d'éliminer les inconvénients précités et d'obtenir une couche de traitement de surface qui soit améliorée en ce qui concerne lespropriétés précitées, notamment la propriété de résistance à l'usure, 20 par comparaison à ce qui est obtenu par les procédés classiques; dans un procédé de ce type, une pièce formée d'un matériau métallique tel que de la fonte, un alliage d'aluminium ou analogue est pourvue sur sa surface d'une couche de traitement formée par refusion en créant sur la surface de la pièce une partie fondue par un arc à plasma et en faisant ensuite solidifier la partie fondue par refroidissement, le procédé étant caractérisé en ce qu'un agent d'addition constitué par une poudre d'unmatériau métallique d'une nature différente 30 du matériau métallique de la pièce ou un autre type de matériau est introduit, le long de l'arc à plasma, dans la partie fondue pour êtremélangé avec elle de façon forcée. Dans ce cas, l'agent d'addition est une poudre 35 d'au moins un élément choisi parmi des métaux tels que Ni, Cr, Mo ou analogue, des alliages desdits métaux, des carbures tels que WC, Si C, Mo 2 C, Cr 3 C 2, B 4 C ou analogue, des borures tels que BN, Ti B ou analogue, des sulfures tels que Mo 52, W 52, Fe S ou analogue et des oxydes tels que A 1203,Si O 2 et analogues. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la

description, donnée à titre d'exemple non limitatif,

en référence aux dessins annexes dans lesquels: la Fig 1 est un schéma explicatif montrant un exemple d'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention; les Fig 2 à 6 sont des schémas explicatifs montrant des étapes respectives du procédé conforme à 15 l'invention; la Fig 7 est une représentation graphique montrant la relation entre la quantité de perte par abrasion li et le pourcentagevolumiquede sulfure de chrome; la Fig 8 est une représentation graphique 20 montrant la relation entre la quantité de perte par

abrasion p et le pourcentage volumique de sulfure de fer.

Sur les dessins, la référence numérique 1 désigne une pièce telle qu'une camrne d'actionnement de soupape ou analogue, formée d'un matériau métallique tel que 25 de la fonte, un alliage d'aluminium ou analogue, tandis que la référence numérique 2 désigne une torche à plasma dirigée vers celle-ci Comme le montre clairement la figure 1, la torche 2 est pourvue en son centre d'une électrode 3 et il est prévu autour de l'électrode 3 30 une buse 5 délimitant un passage de gaz fonctionnel 4; il est également prévu autour de la buse 5 un chapeau de protection 7 délimitant un passage de gaz de protection 6; la buse 5 comporte à sa partie extreme avant un passage de gaz de plasma 8 qui est en communication 35 avec le passage de gaz fonctionnel 4, la buse 5 étant également pourvue intérieurement d'un passage d'eau de refroidissement 9 En conséquence, un jet de gaz de plasma est insufflé sur la pièce 1 par l'intermédiaire du passage 8 et en même temps un arc à plasma 10 est 5 engendré entre la pièce 1 et l'électrode 3 de façon à arriver sur la pièce 1 et de façon à former ainsi une

partie fondue 11 sur la surface de ladite pièce 1.

En conséquence, si on produit un balayage de la torche 2 le long de la pièce 1, la partie fondue 11 est formée 10 de façon continue en s'étendant le long de la ligne de balayage et la partie fondue ainsi formée est ensuite graduellement solidifiée par refroidissement à partir de son extrémité de départ, de manière à produire ainsi une couche de traitement par refusion Ce processus

n'est pas notablement différent d'un processus classique.

Conformément à cette invention, une poudre formée d'un matériau différent du matériau métallique de la pièce 1 est préparée au moyen d'un agent d'addition 12 intervenant dans le procédé conforme à l'invention, et 20 elle est introduite, le long de l'arc à plasma 10, dans la partie fondue 11 en étant mélangée de façon forcée à cette partie fondue A cet effet, comme le montre clairement la figure 1, on utilise par exemple un tube mélangeur 13 constitué de céramique qui est 25 placé sur la torche 2 de façon à faire saillie à son extrémité avant en direction de l'arc à plasma 10 et l'agent d'addition 12 précité est transporté par de l'argon gazeux par exemple au travers de l'intérieur du tube mélangeur 13 afin de pénétrer dans l'arc 10. 30 En conséquence, l'agent d'addition 12 est introduit, le long de l'arc 10, dans la partie refondue 11 pour

être mélangé dans celle-ci.

De façon plus détaillée, la vitesse d'écoulement du jet de plasma produit dans la torche 2 est de 20 m/s, 35 la vitesse d'écoulement du gaz protecteur sur sa périphérie extérieure est de 0,33 m/s et la vitesse de transport de la poudre est de 7 m/s, par exemple, qui est de 1,5 à 3 fois supérieure à la vitesse d'écoulement du gaz protecteur En conséquence, la poudre peut ainsi refouler l'écoulement de gaz protecteur de façon à pénétrer dans le jet de plasma. Des modes de mise en oeuvre correspondants du procédé conforme à l'invention ont été représentés sur les figures 2 à 6 Notamment, en premier lieu, l'arc à 10 plasma 10, comme indiqué sur les figures 2 et 3, est produit entre la torche 2 et la pièce 1 et il crée ainsi sur la surface de la pièce 1 une partie fondue 11, comme le montre la figure 3 D'autre part,l'agent d'addition 12 est entrainé par l'argon gazeux, par exemple, à l'intérieur du tube mélangeur 13 et ainsi, comme le montre la figure 4, cet agent d'addition 12 est introduit dans l'arc à plasma 10 sur son côté d'amont et sa vitesse est accélérée par l'arc 10 de manière à être introduit, le long de l'arc 10, dans la partie refondue 11 en vue d'être violemment mélangé

à celle-ci.

A ce moment, la torche à plasma 2 exécute un mouvement de balayage dans une direction latérale et ainsi, comme le montre la figure 5, la partie fondue 11 25 est allongée de façon continue dans la direction de balayage et elle est solidifiée à partir de sa partie extrême de départ séquentiellement en étant rapidement refroidie par une grande masse froide se trouvant dans la partie restante de la pièce 1 Ainsi, il se forme 30 une couche de traitement par refusion lia Pendant cette opération, chaque zone de la partie fondue allongée 11 est violemment agitée et est soumise à un écoulement turbulent sous l'effet de l'arc et en correspondance, des particules depoudre d'agent d'addition 12 contenues 35 dans cette partie sont dispersées de façon sensiblement uniforme dans cette partie fondue grace à l'action d'agitation précitée, et la couche de traitement par refusion lla résultante est produite dansune condition telle que l'agent d'addition 12 soit sensiblement uniformément dispersé dans la couche solidifiée, comme indiqué sur la figure 6, par exemple, de sorte que la couche de traitement par refusion présente une propriété améliorée en correspondance à l'agent d'addition 12, par exemple une meilleure propriété de résistance à l'usure. Ce débit de gaz dans le jet de plasma correspondant à l'arc 10 est plus petit que dans le cas d'une fusion par plasma classique; dans l'exemple considéré, ce débit est compris entre 0,3 et 3,0 1/min, la vitesse de transport de l'agent d'addition 12 est de 0,5 m/s, par exemple, l'intensité et la tension du courant d'arc ont respectivement des valeurs de 30 à 200 A et de 20 à 30 V, par exemple, et lapoudre de l'agent d'addition 12 a usuellement une granulométrie inférieure à 200 microns, et de préférence inférieure à 100 microns. 20 Lorsque des particules de poudre de l'agent d'addition 12 sont mélangées à la partie fondue 11, elles sont dispersées dans leur forme pulvérulente initiale ou bien une partie d'entre elles sont fondues

par échauffement de façon à former un alliage ou un 25 autre composé dans la partie refondue 11.

Exemple de mise en oeuvre 1 On utilise le dispositif représenté sur la Fig l, et la pièce 1, constituée par un échantillon de contrôle 30 d'abrasion du type FC 30 Ohkoshi est traitée comme suit: Dans la condition o l'intensité du courant de plasma est de 50 A, le débit de gaz de plasma est de 0,8 1/min, et la vitesse de balayage de la torche à plasma est de 0,5 m/min, la partie fondue résultante 35 est formée sur toute la surface de la pièce et des poudres de Cr utilisées comme agent d'addition 12 sont mélangées à cette partie fondue Les poudres de Cr ont une granulométrie de 5 à 100 microns et leur débit

d'alimentation est de 0,2 g/min.

On obtient une couche fondue ayant une profondeur de 1,8 mm à partir de la surface, cette couche se solidifiant pour devenir une structure trempée par un refroidissement rapide, ce qui permet d'obtenir ainsi une couche de traitement par refusion contenant 10 des particules de Cr qui sont dispersées sensiblement uniformément dans toute la couche avec un rapport de

contact d'environ 1,2 % en volume.

Le produit résultant est représenté par A, et un produit comportant une simple couche de traitement 15 par refusion est représenté par B Un essai d'abrasion est effectué sur les deux produits et on obtient les

résultats suivants.

% Cr Quantité spécifique d'abrasion A 1,2 8,6 x 10-8 mm 2/kg B O 2,2 x 107 mm 2/kg Un rotor utilisé dans l'essai a été préparé par 25 un procédé dans lequel une matière première formée de SCM 420 a été soumise à un traitement de carburation et a été ensuite revêtue d'une couche de chrome dure de microns d'épaisseur Les conditions opératoires ont été les suivantes: vitesse d'abrasion 1,36 m/s,

charge-finale 3,1 kg, et distance d'abrasion 200 m.

Exemple de mise en oeuvre 2 L'appareil représenté sur la Fig 1 est utilisé et la pièce 1 constituée par un échantillon de contrôle d'abrasion du type 550 C Ohkoshi est traitée comme 35 suit: La totalité de la surface de l'échantillon est traitée dans les conditions suivantes: intensité du courant de plasma 100 A, débit de gaz de plasma 0,8 1/min, et vitesse de balayage de torche de plasma 0,5 m/min; 5 la partie fondue résultante reçoit comme agent d'addition 12 des poudres de Mo 2 C Les poudres ont une granulométrie comprise entre 2 et 30 microns et leur vitesse de transport est de 0,6 g/min La couche fondue résultante formée a une profondeur de 1,2 mm à partir de 10 la surface et est solidifée en une couche ayant une structure martensitique On obtient ainsi le traitement par refusion contenant des poudres de Mo dispersées sensiblement uniformément dans toute sa zone avec un

pourcentage volumique d'environ 3,6 %.

Le produit résultant est représenté par C et un produit comportant une simple couche de traitement par refusion est représenté par D Un essai d'abrasion

est effectué sur chaque produit et on obtient les résultats suivants.

25 % Mo Quantité spécifique d'abrasion C 5,2 7,8 x 10-7 mm 2/kg D O 8,5 x 10-6 mm 2/kg Exemple de mise en oeuvre 3 L'appareil représenté sur la figure lest utilisé et la pièce 1, constituée par un échantillon de contrôle 30 d'abrasion du type Ohkoshi en alliage Ni-10 % Cu est traitée comme suit: La totalité de sa surface est balayée par la torche à plasma dans les conditions suivantes: intensité ducourantde gaz de plasma 100 A, débit de gaz de plasma 0,8 1/min et vitesse de balayage de torche à plasma de 0,5 m/min; des poudres de Ti B servant

d'agent d'addition 12 sont mélangées à la partie fondue.

Leur débit d'alimentation est de 0,4 g/min La couche fondue résultante formée a une profondeur de 1,0 mm et elle est solidifiée de façon à constituer une couche de traitement par refusion contenant les poudres de Ti B dispersées sensiblement uniformément dans toute sa zone

avec un pourcentage volumique constant d'environ 2,6 %.

Le produit résultant est représenté par E et un produit composé seulement de la couche de traitement par refusion est représenté par F Un essai d'abrasion est effectué et on obtient les résultats suivants: % Ti B Quantité spécifique d'abrasion __ E 2,6 4,0 x 106 mm 2/kg F O 7,2 x 10 6 mm 2/kg Exemple de mise en oeuvre 4 L'appareil représenté sur la figure 1 est utilisé, et la pièce 1, constituée par un échantillon d'abrasion du type Ohkoshi FC 30, est traitée comme suit: Toute sa surface est traitée dans les conditions 25 suivantes: intensité du courant de plasma 50 A, débit d'écoulement de gaz de plasma 0,8 1/min et vitesse de balayage de la torche à plasma 0,5 m/min; des poudres de Fe S constituant l'agent d'addition 12 sont mélangées à la couche fondue résultante Les poudres ont une granulo30 métrie de 5 à 30 microns et elles sont transportées avec un débit de 0,3 g/min La couche fondue est formée de façon à avoir une profondeur de 1,6 mm, et elle est solidifiée par refroidissement sous la forme d'une couche

de traitement par refusion de structure trempée.

Les particules de Fe S sont ajoutées et les particules de (Fe Mn)S résultantes sont engendrées par réaction entre une partie de la poudre de Fe S et le composant Mn de la matière de base dans une condition telle que lesdites particules soient dispersées pratiquement uniformément dans toute la zone de ladite couche avec unpourcentage volumique d'environ 20 %. Le produit résultant est représenté par G, et un produit comportant une simple couche de traitement par refusion est représenté par H Un essai d'abrasion 10 est effectué sur chaque produit et on obtient les résultats suivants: % Fe S(Fe Mn)S Quantité spécifique d'abrasion G 2,0 6, 9 x 10-8 mm 2/kg H O 2,2 x 10-7 mm 2/kg

H _ _ _ _ _,

Exemple de mise en oeuvre 5 L'appareil représenté sur la Fig 1 est utilisé, et la pièce 1, constituée par un échantillon d'abrasion du type Ohkoshi AC 2 B en alliage d'aluminium,est traitée comme suit: Toute sa surface est traitée dans les conditions 25 suivantes: intensité de courant deplasma 100 A, débit de gaz de plasma 0,8 1/min, et vitesse de balayage de torche à plasma 0,8 m/min; la couche fondue résultante est mélangée avec des poudres d'A 1203 constituant l'agent d'addition 12 Les poudres ont une granulométrie de 0,5 30 à 10 microns et elles sont transportées à un débit de 0,6 g/min La couche de traitement par refusion solidifiée par refroidissement est formée de manière à avoir une profondeur de 0,8 mm, et à contenir les particules de poudre d'A 1203, dans une condition de dispersion sensi35 blement uniforme dans toute la zone de la couche solidifiée

avec un pourcentage volumique d'environ 6,0 %.

il 2551770 Le produit résultant est représenté par I, et un produit comportant une simple couche de traitement par refusion est représenté par J Un essai d'abrasion est effectué sur ces produits et on obtient les résultats suivants. % A 203 Quantité spécifique d'abrasion I 6,0 8,3 x 106 m 2/k J O 6,2 x 10 mm 2/kg Comme le montrent clairement les exemples de mise enoeuvre précités, la pièce 1 de chaque exemple est extrêmement améliorée en ce qui concerne sa propriété de 15 résistance a l'abrasion par l'agent d'addition mélange

avec elle.

Exemple de mise en oeuvre 6 L'appareil représenté sur la figure 1 est utilisé et la piece 1, destinée à un stator formé d'un échantillon 20 d'abrasion du type Ohkoshi FC 30,est traitée comme décrit ci-dessous Notamment, une surface de glissement de cette pièce est traitée dans les conditions suivantes: intensité de courant d'arc à plasma 80 A, débit de gaz de plasma 0,8 1/min, et vitesse de balayage de torche à plasma 25 0,3 m/min; la partie fondue 1 l reçoit de la poudre de Cr 253 d'une granulométrie de 2 à 10 microns, qui est

transportée au moyen d'argon gazeux à un débit de 1,2 g/min.

La couche fondue résultante ainsi formée présente une profondeur de 1,2 mm à partir de sa surface et, après solidification, on obtient une couche de traitement par refusion contenant des particules dispersées d'un mélange de sulfures de la série Cr, comprenant (Cr Fe)253, (Cr Fe Mn)253, (Cr Fe)354,(Cr Fe Mn)354 engendrées par réaction du Cr 253 ajouté avec le fer contenu dans lamatière de base 35 et un élément d'alliage Mn de celle- ci Ce mélange de sulfures de Cr a un rapport volumique de 7,5 % et les particules qu'il contient ont une granulométrie d'environ 1 à 8 microns Dans ce processus, la partie fondue 1 l est rapidement solidifiée par la masse froide dela partie restante de la matière métallique de base sous forme d'une structure trempée correspondant à uan dépôt de ledeburite, dans lequel (Cr Fe)253, (Cr Fe)354, (Cr Fe Mn)253 et (Cr Fe Mn)354

sont dispersés.

Le produit résultant est soumis à un traitement 10 de meulage sur la surface de glissement de manière à obtenir une pièce-échantillon K A titre de comparaison, on fabrique un produit comportant une simple couche de traitement par refusion de structure trempée ne contenant

pas la poudre de Cr 253.

Ce produit est soumis à un traitement de meulage sur sa surface de glissement de manière à obtenir une pièce-échantillon L Presque de la même manière que dans l'Exemple 1, un essai d'abrasion est effectué sur chaque produit et on obtient les résultats suivants. 20 Matière proportion Quantité spécifique dispersée volumique (%) d'abrasion K sulfure de Cr 7,5 8,0 x 10-9 mm 2/kg L 2,2 x 10-7 mm 2/kg Exemple de mise en oeuvre 7 L'appareil représenté sur la figure 1 est utilisé et la pièce 1, formée d'un alliage binaire de Fe et C, est traitée comme décrit ci- dessous Notamment, une surface de glissement de la pièce est fondue dans les conditions suivantes: intensité de courant de plasma 80 A, débit d'argon gazeux dans l'arc de plasma 1 l/min, et vitesse de balayage en zigzag de la torche à plasma 0,3 m/min; 35 la partie fondue il de la pièce reçoit un mélange contenant % en poids de poudre de Cr 3 C 2 d'une granulométrie de 2 à 10 microns et de 50 % en poids d'une poudre de Mo 52 d'une granulométrie de 5 à 60 microns avec un débit

d'alimentation de 0,1 g/min au moyen de l'argon gazeux.

En résultat de la solidification, il se forme une couche de traitement par refusion qui est telle que des particules de sulfures de chrome comprenant Cr 253 et Cr 354 produits par la réaction entre les composants des poudres du mélange, sont uniformément distribuées dans 1 <) la couche fondue 11, présentant une profondeur de 1,4 mm à partir de sa surface Des sulfures de chrome interviennent en pourcentage volumique d'environ 0,5 % et avec une granulométrie d'environ 1 à 9 microns Le produit résultant est soumis à un traitement de meulage 15 sur sa surface de glissement pour être utilisé comme une pièce-échantillon M A titre de comparaison, un produit comportant une simple couche de traitement par refusion est préparé de manière à être utilisé comme une pièce-échantillon N Presque de la même manière que dans l'Exemple 1, un essai d'abrasion est effectué sur chaque produit et on obtient les résultats suivants. Pièce Matière Proportion Quantité échan dispersée volumique spécifique tillon M%) d'abrasion M Sulfure de Cr 0,5 % 3,6 x 10-6 mm 2/kg 18,5 x 10-6 mm 2/kg Exemple de mise en oeuvre 8 L'appareil représenté sur la Fig 1 est utilisé, et la pièce 1, qui est une partie de levage de la came d'un arbre àcames formé de FC 30, et destinée à être incorporée dans un moteur de véhicule automobile, est

soumise à un traitement de refusion comme décrit ci-dessous.

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Notamment sa surface est traitée dans les conditions suivantes: intensité de courant d'arc de plasma 60 A, débit d'argon gazeux dans l'arc de plasma 0,5 1/min, et vitesse de balayage de torche 1 m/min; de la poudre de Cr 253 d'une granulométrie de 2 à 10 microns servant

d'agent d'addition 12 est introduite dans la couche fondue 11 avec un débit d'alimentation de 0,6 g/min.

Après solidification de cette couche, on obtient une couche de traitement par refusion, c'est-à-dire une 10 couche durcie et trempée d'une épaisseur de 1,8 mm contenant différents types de sulfures de Cr comme (Cr Fe)253, (Cr Fe Mn)253, (Cr Fe)354 et (Cr Fe Mn)354 qui sont uniformément dispersés Les sulfures de Cr correspondent à un pourcentage volumique de 2,2 % et à une 15 granulométrie de particules de 1 à 8 microns et la couche durcie par eux a une dureté de 58 unités Rockwell C. L'arbre à cames est soumis, sur sa surface de came, à un traitement de meulage de manière à obtenir une pièce-échantillon O utilisée dans un contrôle de service, c'est-à-dire un contrôle de fiabilité fonctionnelle D'autre part, un arbre à cames formé du même matériau que ci-dessus est soumis à un traitement de refusion qui est effectué dans les mêmes conditions que décrit ci-dessus mais sans addition d'aucun agent, de façon à obtenir un autre échantillon d'essai P de l'arbre à cames Sa couche durcie a une épaisseur de 1,9 mm et a une dureté de 51 unités Rockwell C. Conditions de l'essai de service Vitesse de moteur,1 000 tr/min Température d'huile 65 C

Durée d'essai 200 heures.

A la suite des essais, on constate que la quantité de matière perdue par abrasion sur le haut de la came de l'échantillon O correspond à une profondeur de 10 microns 35 tandis que la quantité de matière perdue par abrasion sur le haut de la came de l'échantillon P correspond à une

profondeur de 120 microns.

Exemple de mise en oeuvre 9 L'appareil représenté sur la Fig 1 est utilisé et la pièce, qui est un bras culbuteur de soupape formé de SCM 420 et destiné à être incorporé à un moteur de véhicule automobile, est soumise sur sa surface de glissement à un traitement de refusion qai va être décrit dans la suite Notamment sa surface de glissement est traitée dans les conditions suivantes: densité du courant d'arc de plasma 45 A, débit d'argon gazeux d'arc de plasma 0,5 1/min, vitesse de balayage de torche 0,t 8 m/min, débit de poudre de Cr 253 d'une granulométrie de 2 à 10 microns: 0,4 g/min, de manière à former sur la surface 15 de glissement une partie fondue à laquelle est ajoutée la poudre Apres solidification de la partie fondue, on obtient une couche de traitement par-refusion, c'està-dire une couche durcie et trempée contenant des particules uniformément dispersées de sulfures de Cr comprenant 20 un mélange de (Cr Fe)253, (Cr Fe Mn)253, (Cr Fe)354 et (Cr Fe Mn)354 et produits par réaction de l'agent d'addition constitué par Cr 253 avec le composant principal Fe et un composant partiel Mn de la matière de base La couche durcie a une épaisseur de 1,0 mm et les sulfures de Cr qu'elle contient correspondent à un pourcentage volumique de 3,4 % Le produit est soumis à un traitement de carburation et ensuite à un traitement de meulage de façon à obtenir une pièce-échantillon Q D'autre part, la surface de glissement d'un bras deculbuteur de soupape 30 formée du même matériau que ci-dessus n'est pas soumise à un simple traitement de refusion mais elle est soumise seulement à un traitement de carburation de manière à obtenir une pièce-échantillon Ro Un essai de service est effectué sur chacun des deux échantillons dans les conditions indiquées ci-dessous On trouve comme résultat que la quantité de matière premiere par abrasion, exprimée en profondeur de la surface de glissement de la pièce-échantillon Q, est de 3 microns alors que celle

obtenue pour la surface de glissement de la pièce5 échantillon R est de 50 microns.

Conditions d'essai: Vitesse de moteur 1 000 tr/min Température d'huile 65 C

Durée d'essai 200 heures.

Exemple de mise en oeuvre 10 L'appareil représenté sur la figure 1 est utilisé et la pièce 1, qui est un stator constitué d'une pièce de contrile d'abrasion du type Ohkoshi FCD 55, est soumise à un traitement de refusion comme décrit ci-dessous Notamment, une 15 surface de glissement de la pièce est traitée dans les _ conditions suivantes: intensité de courant de plasma 80 A, débit d'argon gazeux d'arc de plasma 0,8 1/min et vitesse de balayage de torche 0,3 m/min La couche fondue ainsi formée reçoit un agent d'addition constitué par de la poudre 20 de Fe S d'une granulométrie de 5 à 40 microns avec un débit d'alimentation de 1,5 g/min et transport par de l'argon

gazeux La couche fondue a une épaisseur de 1,2 mm.

Pendant cette opération, une partie de la poudre de Fe S ajoutée réagit avec le composant principal Fe et avec le 25 composant Mn de la matière de base pour produire (Fe Mn)S et, par suite de la solidification,on obtient une couche de traitement par refusion qui est une couche durcie contenant des particules uniformément distribuées de sulfures de fer comprenant un mélange de Fe S et de (Fe Mn)S. 30 Les particules distribuées ont une granulométrie de 1 à 9

microns et interviennent en proportion volumique de 15 %.

Le produit résultant est soumis à un traitement de meulage sur sa surface de glissement de façon à obtenir une pièceéchantillon S A titfe de comparaison, la pièce 1 formée 35 du même matériau que ci-dessus est soumise à un simple traitement de refusion dans les mêmes conditions que celles

17 2551770 indiquées ci-dessus, sans addition d'aucun agent, de manière à obtenir une

pièce-échantillon T Un essai d'abrasion est effectué de la même manière que pour l'Exemple 1 sur chacune des deux pièces-échantillons S, T, et on obtient les résultats suivants. Pièce Sulfures Proportion Quantité échan dispersés volumique spécifique tillon (%) d'abrasion S Fe S et 15 % 4,5 x 10-8 mm 2/kg (Fe Mn)S T 2,2 x 10-7 mm 2/kg Exemple de mise en oeuvre 11 L'appareil représenté sur la Fig 1 est utilisé et la pièce, qui est un stator constitué d'une pièce de contrôle d'abrasion 550 C, est soumise au traitement de refusion décrit ci-dessous Notamment, une surface de glissement de la pièce est traitée dans les conditions 20 suivantes: intensité de courant d'arc de plasma 80 A, débit d'argon gazeux d'arc de plasma 1 1/min, et vitesse

de balayage en zigzag de la torche à plasma 0,3 m/min.

La couche fondue résultante, d'une profondeur de 1,4 mm, reçoit des poudres de Mo S d'une granulométrie de 10 Z 25 40 microns avec un débit d'alimentation de 0,15 g/min et avec transport par de l'argon gazeux Onobtient ainsi une couche durcie contenant des particules uniformément dispersées de Fe S et de (Fe Mn)S engendrées parréaction de l'agent d'addition Mo S avec les composants Fe et Mn 30 de la matière de base Les particules résultantes ont une granulométrie d'environ 1 à 7 microns et elles

interviennent en proportion volumique d'environ 0,8 %.

Le produit résultant est soumis sur sa surface de glissement à un traitement de meulage de façon à obtenir 35 une pièce-échantillon U A titre de comparaison, la pièce 1

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formée du même matériau que ci-dessus est soumise à un simple traitement de refusion dans les mêmes conditions que ci-dessus mais sans addition d'aucun agent, de façon à obtenir une pièce-échantillon V. Le même essai d'abrasion que ci-dessus est effectué sur les deux pièces-échantillons et on obtient

les résultats suivants.

15 Pièce Sulfures Proportion Quantité échan dispersés volumique spécifique tillon (%) d'abrasion U Fe S et 0,8 % 4,2 x 10-6 mm 2/k (Fe Mn) S V 8,5 x 10-6 mm 2/kg Exemple de mise en oeuvre 12 L'appareil représenté sur la Fig 1 est utilisé et la pièce 1, qui est une partie de levage d'une came 20 d'un arbre à cames en FC 30 destinée à être montée dans un moteur de véhicule automobile, est soumise au traitement de refusion comme décrit ci-dessus Notamment, la surface de la partie de levage de la came est fondue dans les conditions suivantes: intensité de courant 25 d'arc de plasma 60 A, débit d'argon gazeux d'arc de

plasma 0,5 1/min, et vitesse de balayage de torche 1 m/min.

L'agent d'addition constitué par des poudres de W 52 de granulométrie de 2 à 10 microns est introduit dans la partie fondue à un débit d'alimentation de 0,6 g/min 30 en étant transporté par du gaz La couche fondue

résultante a une profondeur de 1,8 mm et est solidifiée.

On obtient ainsi une couche durcie contenant des particules uniformément dispersées de Fe S et (Fe Mn)S engendrées par réaction du W 52 d'addition avec les éléments

Fe, Mn faisant partie de la composition de la matière de base.

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Les particules dispersées ont une granulométrie d'environ 1 à 10 microns et interviennent en proportion volumique de 2,8 % La couche durcie a une dureté de 53 unites Rockwell C Cet arbre à cames est soumis à un traitement de meulage de façon à obtenir une pièce-échantillon W. Un arbre à cames formé du même matériau que ci-dessus est soumis à un simple traitement de refusion de façon à obtenir une pièce-échantillon X La couche durcie de cette pièce a une dureté de 51 unités Rockwell C. Un essai de service est effectué pour chacune des pièceséchantillons dans les conditions suivantes: vitesse de moteur 1 000 tr/min, température d'huile 65 C, et durée d'essai 200 heures En résultat de cet essai, la quantité de matière perdue par abrasion pour la pièce-chantillon U 15 correspond à une profondeur de 30 microns et celle de la pièce- échantillon V correspond à une profondeur de

microns.

Exemple de mise en oeuvre 13 L'appareil représenté sur la Fig est utilise 20 et la piece 1, qui est un bras de culbuteur de soupape formé de SCM 420 et destiné à être monté dans un moteur de véhicule automobile, est soumise, sur sa surface de

glissement, au traitement de refusion décrit ci-dessous.

Notamment la surface de glissement est soumise au traite25 ment de refusion dans les conditions suivantes: intensité de courant d'arc de plasma 45 A, débit d'argon gazeux d'arc de plasma 0,5 1/min, et vitesse de balayage de torche à plasma 0,8 m/min L'agent d'addition formé de poudres de Fe S est transporté par l'argon gazeux et est 30 introduit dans la partie refondue résultante à un débit d'alimentation de 0,4 g/min Après solidification, on obtient une couche durcie contenant des particules dispersées de (Fe Mn)S, engendrées par réaction d'une

partie des poudres de Fe S ajoutées avec le composant Mn 35 de la matière de base et les particules de Fe S ajoutées.

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Les particules de Fe S et de (Fe Mn)S ont une granulométrie de 1 à 8 microns et interviennent en proportion volumique d'environ 3,2 % La pièce 1 ainsi traitée est ensuite soumise à un traitement de carburation en vue d'améliorer encore la dureté de sa surface de glissement La couche durcie a une épaisseur d'environ 1,2 mm et elle forme une couche résistant à l'usure dans laquelle les sulfures

précités sont mélangés à la couche durcie carburée.

Le produit est soumis sur sa surface à un traitement de 10 meulage de façon à obtenir une pièce-échantillon W. A titre de comparaison, la pièce 1 formée du même matériau que ci-dessus est soumise à un simple traitement de refusion et elle est ensuite transformée en une pièce comportant une couche résistant à l'usure par le 15 même traitement de carburation que décrit ci-dessus de façon à obtenir une pièce-échantillon X Pour chacune desdites pièces-échantillons W, X, un essai de service est effectué dans les conditions suivantes: vitesse de moteur 1 000 tr/min, température d'huile 65 C et durée d'essai 200 heures En résultat de cet essai, on a trouvé que la pièce-échantillon W avait perdu par abrasion une quantité de matière correspondant à une profondeur de 10 microns et que-la pièce-échantillon X

avait perdu par abrasion une quantité de matière corres25 pondant à une profondeur de 50 microns.

Comme le montrent clairement les exemples l à 13 décrits ci-dessus, si l'undesdifférents types d'additifs tels que Cr, Mo, Ti B, A 1203, Fe S et d'autres sulfures ou analogues est mélangé à la couche fondue de la pièce 30 à traiter, la couche résultante ainsi traitée par refusion est améliorée en ce qui concerne sa propriété de résistance à l'usure par comparaison à ce qu'on obtiendrait sans addition Notamment, un sulfure de la série Cr, par comparaison à d'autres sulfures, est 35 avantageux par le fait qu'il a à haute température une stabilité suffisamment élevée pour ne pas être décomposé, même à une température supérieure à 1000 oo C, en créant une surface de glissement très stable et en

servant en outre de lubrifiant.

La poudre d'addition à utiliser a une granulométrie usuellement inférieure à 200 microns, et de préférence inférieure à 100 microns Lorsque lesparticules de poudre sont ajoutées à la couche fondue formée sur la surface de la pièce à traiter, elles sont transformées 10 en particules liquides et en même temps elles sont déposées dans cet état liquide, avec le courant d'arc de plasma, de façon que la couche fondue soit agitée violemment et qu'en même temps les particules qu'elle contient soient finement divisées par l'écoulement turbulent de métal fondu ainsi produit, les particules finement divisées étant ensuite solidifiées par l'action de refroidissement de la masse froide de la matière métallique de base En conséquence, on obtient une couche de traitement en surface qui est telle que les particules 20 solides finement divisées qu'elle contient soient dispersées dans la couche métallique solidifiée Il est préférable que les particules dispersées contenues dans la couche solidifiée aient une granulométrie comprise entre environ 1 et 20 microns et qu'on obtienne ainsi 25 une réduction du taux de concentration de contraintes internes afin que le produit soit excellent en ce qui concerne la propriété de résistance aux piq Cres, la propriété de résistance à l'abrasion et d'autres propriétés, et qu'en outre l'effet de lubrification du 30 sulfure puisse être aisément établi uniformément sur la surface de glissement de la pièce En outre, si un mouvement de frottement est répété pendant le fonctionnement du produit, sa teneur en particules est augmentée et ainsi une couche de sulfure d'une épaisseur comprise entre plusieurs dizaines et plusieurs centaines d'angstr 5 ms

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est susceptible de se former sur sa surface.

Conformément à cette invention, la durée du traitement de refusion est usuellement seulement d'environ

1 seconde ou moins, de sorte que le traitement est avan5 tageux par le fait qu'il ne provoque pas une perte importante de la matière d'addition sous l'effet d'une décomposition thermique.

La Fig 7 donne le résultat d'une étude des relations entre la teneur en sulfure de Cr et la quantité 10 de matière perdue par abrasion par une pièce, notamment par un arbre à cames formé de FC 30 et utilisable dans un moteur de véhicule automobile Comme le montre clairement le graphique, on obtient une amélioration des propriétés de résistance à l'abrasion ou à l'usure à partir 15 d'une teneur qui est approximativement de 0,2 % en volume et cette amélioration est remarquable par le fait qu'elle

est obtenue par addition d'une petite quantité de sulfure.

Cependant, si la quantité ajoutée est supérieure à environ 12 % en volume, la pièce a tendance à diminuer

de ténacité et une addition supérieure devient coûteuse.

En conséquence, du point de vue de la rentabilité, il est préférable de limiter la quantité d'addition à environ 12 %

au maximum.

La Fig 8 donne le résultat d'études concernant 25 les relations entre la teneur en sulfures de fer (Fe S + (Fe Mn)S) et la quantité de matière perdue par abrasion par une pièce, notamment l'arbre à cames en FC 30 pour un moteur de véhicule automobile Dans cecas, l'effet du sulfure se fait sentir pour une quantité d'addition 30 supérieure à 0,5 % Cependant, même si la quantité d'addition de sulfure est augmentée jusqu'à plus d'environ %, on n'obtient pas d'autre amélioration, de sorte qu'il est préférable, du point de vue de la rentabilité de limiter la quantité d'addition à environ 20 % au maximum. 35 En conséquence, conformément à cette invention, pendant le temps o une piece est en train d'être fondue sur sa surface par un arc de plasma, des poudres formées d'un type de matière autre que la matière de la pièce sont introduites, le long de l'arc, dans la partie fondue résultante de manière à être mélangées dans celle-ci, les poudres pouvant ainsi être dispersées dans la couche formant la partie fondue et, après solidification de celle-ci, on peut obtenir une couche de traitement par

refusion qui a été améliorée en ce qui concerne la 10 propriété de résistance à l'usure.

En consequence, lorsque le procédé conforme à l'invention est appliqué à une surface de glissement d'une came d'actionnement de soupape d'un moteur, par exemple, on peut produire une pièce possédant une 15 excellente caractéristique de résistance à l'usure et en outre les poudres d'addition ne sont pas soumises

à un échauffement pendant une longue période, de sorte qu'il se produit difficilement, par décomposition thermique, une perte de particules efficaces distribuées.

Claims (4)

Revendications

1 Procédé de traitement de surface d'une pièce formée de tous matériaux métalliques désirés tels que fonte, alliages d'aliminium ou analogues, en vue de former sur sa surface une couche de traitement par refusion en créant sur la sur5 face de la pièce une partie fondue par un arc de plasma et en faisant ensuite solidifier la partie fondue par refroidissement, caractérisé en ce qu'un agent d'addition ( 12) constitué par une poudre d'un matériau métallique différent de celui de 10 la pièce ou de tout autre type, est introduit, le long de l'arc de plasma ( 10), dans la partie fondue ( 11) de manière

à être mélangé à celle-ci de façon forcée.

2 Procédé de traitement de surface selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que l'agent d'addition ( 12) est une poudre formée d'au moins un matériau choisi parmi des métaux tels que Ni, Cr, Mo ou analogue, des alliages desdits métaux, des carbures tels que WC, Sic, Mo 2 C, Cr 3 C 2, B 4 C ou analogue, des borures tels que BN, Ti B ou analogue,des sulfures tels que Mo 52, 20 W 52, Fe S ou analogue, et des oxydes tels que A 1203,Si O 2 ou analogue.

3 Produit obtenu par un procédé selon l'une des revendications 1 et 2.

4 Produit selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche de traitement par refusion contient du sulfure de chrome dans une proportion volumique comprise entre environ 0,2 % et 12 %. 30 Produit selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche de traitement par refusion contient du sulfure de fer dans une proportion volumique

comprise entre environ 0,5 % et 20 %.