FR2991694A1

FR2991694A1 - Procede de traitement thermochimique pour une piece en acier combinant une etape de carbonitruration et une etape de nitruration

Info

Publication number: FR2991694A1
Application number: FR1255338A
Authority: FR
Inventors: Luc Herrmann; Philippe Lapierre; Jerome Lardinois
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-12-13
Anticipated expiration: 2032-06-07
Also published as: FR2991694B1

Abstract

L'invention porte sur un procédé de traitement thermochimique pour le renforcement d'une pièce en acier combinant une étape de carbonitruration et une étape de nitruration. Le procédé est caractérisé en ce que les étapes de carbonitruration ou de cémentation (II, C) et de nitruration (IV, N) s'effectuent dans le même four, l'étape de nitruration (IV, N) suivant l'étape de carbonitruration ou de cémentation (II, C) et permet la formation de bainite. Application dans le domaine de la métallurgie pour la fabrication de pièces en acier, en particulier mais non limitativement pour des pièces de véhicule automobile.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT THERMOCHIMIQUE POUR UNE PIECE EN ACIER COMBINANT UNE ETAPE DE CARBONITRURATION ET UNE ETAPE DE NITRURATION [0001] La présente invention porte sur un procédé de traitement thermochimique pour le renforcement d'une pièce en acier combinant une étape de carbonitruration et une étape de nitruration. De tels traitements thermochimiques ont notamment pour but d'augmenter la tenue mécanique de la pièce traitée. [0002] Il existe des procédés de traitement thermochimique communément répandus pour des aciers alliés et faiblement alliés, notamment des traitements de carbonitruration et des traitements de nitruration mais ces traitements sont séparés. [0003] De manière connue, le traitement de carbonitruration ou de cémentation est réalisé dans un four de carbonitruration ou de cémentation tandis que le traitement de nitruration s'effectue dans un four ou dans un bain de nitruration. Le type de traitement thermochimique réalisé dépend du gaz, notamment l'acétylène, l'azote, l'ammoniac, etc..., injecté dans le four et de la température de traitement. Dans le cas d'un traitement réalisé dans un four, la pression au sein de ce dernier est également un paramètre important. Après enrichissement en éléments d'insertion, du type carbone ou azote, on procède à une trempe martensitique. La trempe bainitique est une variante possible. [0004] Une trempe bainitique est un traitement thermique qui consiste à transformer l'austénite d'un acier en bainite par maintien isotherme à des températures comprises entre celles de la formation des structures perlite-ferrite et le point Ms de début de formation de martensite de l'acier traité. Pour réaliser une trempe bainitique, le milieu de trempe le plus couramment utilisé aujourd'hui est un bain de sels nitrate/nitrite. Un bain fondu avec de tels sels est néfaste pour l'environnement. [0005] Le document FR-A-2 031 373 décrit un procédé de durcissage de la surface d'une pièce. Dans une première phase, la pièce est chauffée à une température comprise entre 350 et 700°C dans un bain de sel à base de cyanure de sodium légèrement carburant et fortement nitrurant. Dans une seconde phase, la pièce est réchauffée à une température comprise entre 400 et 600°C en atmosphère contrôlée, nitrurante pendant plusieurs dizaines d'heures. Ensuite la pièce est refroidie à température ambiante et elle subit éventuellement certains traitements de finition. [0006] Dans ce document, les deux phases respectives de carbonitruration et de nitruration sont séparées avec la première phase prenant place dans un bain de sel et la seconde phase dans un four traditionnel. Il s'ensuit un changement de lieu de la pièce du bain de sel au four et la seconde phase se compose d'un chauffage préalable du four qui dure plusieurs dizaines d'heures suivi du cycle de passivation. Il y a donc deux installations de traitement à prévoir, à savoir un bain de sel et un four traditionnel d'où une déperdition d'énergie entre les deux installations. De plus, l'utilisation d'un bain de sel est néfaste pour l'environnement. [0007] Le problème à résoudre par la présente invention est de concevoir un procédé de traitement thermochimique pour le renforcement d'une pièce en acier qui soit complet en ne nécessitant pas de traitement post-opératoire, comme une seconde trempe, un revenu et/ou un traitement mécanique tel que le grenaillage. [0008] Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention, un procédé de traitement thermochimique pour le renforcement d'une pièce en acier, comportant une étape de carbonitruration ou de cémentation dans un four et une étape de nitruration, caractérisé en ce que les étapes de carbonitruration ou de cémentation et de nitruration s'effectuent dans le même four, l'étape de nitruration suivant l'étape de carbonitruration ou de cémentation. [0009] L'effet technique est d'obtenir une combinaison d'une étape de carbonitruration ou de cémentation avec une étape de nitruration présentant une forte synergie. Cette combinaison est favorable aux tenues mécaniques des pièces en supprimant un post- traitement des pièces après l'étape de carbonitruration ou de cémentation comme un revenu ou un grenaillage. [0010] Une telle combinaison permet en plus de faire une trempe bainitique, favorable elle aussi aux tenues mécaniques des pièces traitées, sans pour autant rallonger le temps de traitement, ceci en l'incluant pendant l'étape de nitruration. En effet, la température de nitruration étant similaire à celle du maintien bainitique, le maintien et la formation de bainite sont alors faits en temps masqué pendant la nitruration. [0011] Avantageusement, l'étape de carbonitruration ou de cémentation est précédée d'une étape de montée en température à pression atmosphérique ou pression réduite jusqu'à une température au-dessus de la température Ac3 de la nuance d'acier choisie pour la pièce. [0012] Avantageusement, l'étape de carbonitruration ou de cémentation s'effectue au-dessus de la température Ac3 de la nuance d'acier choisie pour la pièce, ceci à pression atmosphérique ou à pression réduite. [0013] Avantageusement, entre l'étape de carbonitruration ou cémentation et l'étape de nitruration, est intercalée une étape de trempe de la pièce, la température en fin de trempe dépendant de la nature de l'acier traité et étant déterminée par exploitation des courbes TTT. [0014] Avantageusement, le fluide de la trempe est gazeux et sous pression. [0015] Avantageusement, l'étape de nitruration s'effectue en phase gazeuse, à pression atmosphérique ou pression réduite. [0016] Avantageusement, l'étape de nitruration s'effectue à une température dépendant de la nuance de l'acier traité, généralement comprise entre 450 et 600°C. [0017] Avantageusement, la température de l'étape de nitruration est choisie pour permettre la formation de bainite. [0018] Avantageusement, l'étape de nitruration est suivie d'une étape de refroidissement à la température ambiante de la pièce, l'étape de refroidissement utilisant un fluide de refroidissement liquide ou gazeux, le fluide étant ou non sous pression. [0019] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif et sur lequel : - la figure 1 est une représentation schématique d'un cycle complet de traitement thermique selon la présente invention. [0020] La figure 1 montre un cycle complet de traitement thermique selon la présente invention en donnant la température T° en fonction du temps t. Un tel cycle comprend cinq étapes de traitement thermique référencées respectivement I, Il, III, IV et V. [0021] L'étape I est une étape de montée en température. La température visée doit être au-dessus de la température Ac3 de la nuance d'acier choisi. Au-dessus de cette température Ac3, le fer se trouve sous la forme d'austénite, cette température Ac3 formant une droite de pente descendante dans un diagramme fer carbone indiquant les différents états du mélange fer et carbone et donnant les températures en fonction du pourcentage de carbone en masse. [0022] Par exemple, pour la nuance d'acier 23MnCrMo5, la température Ac3 est voisine des 880°C. L'étape I peut avoir lieu à pression atmosphérique ou pression réduite. Des paliers et maintiens à des températures fixées ou des variations de vitesses de chauffe peuvent êtres réalisés. [0023] L'étape II est l'étape de traitement de carbonitruration ou cémentation. La température doit être au-dessus de la température Ac3 de la nuance d'acier choisi. Par exemple, pour la nuance d'acier 23MnCrMo5, la température est voisine des 880°C. Cette étape II peut avoir lieu à pression atmosphérique ou pression réduite. Durant cette étape II a lieu le premier traitement thermochimique qui est une carbonitruration ou cémentation C. [0024] L'étape III est une étape de refroidissement dite trempe. La température diminue rapidement pour éviter de traverser les nez ferritique ou perlitique de l'acier, ce qui est déterminé en regard des courbes TTT) Par exemple, pour la nuance d'acier 23MnCrMo5, la valeur de la température doit approximativement être comprise entre 600°C et 450°C selon l'enrichissement obtenu après le traitement de carbonitruration ou de cémentation. Le fluide de trempe est avantageusement gazeux et sous pression. [0025] L'étape IV est l'étape de traitement de nitruration. Dans le cas de l'acier 23MnCrMo5, la température est usuellement comprise entre 450°C et 600°C. Cette étape IV peut avoir lieu à pression atmosphérique ou pression réduite. Durant cette étape IV a lieu le second traitement thermochimique qui est une nitruration N. Le maintien à une température idéalement choisi (par exemple comprise entre 450°C et 600°C pour la nuance 23MnCrMo5) permet la formation de bainite. [0026] L'étape V est l'étape de refroidissement. La température diminue jusqu'à la température ambiante. Le fluide de refroidissement, liquide ou gazeux, peut éventuellement être sous pression. Une variante possible est de diminuer la température jusqu'à une température inférieure à la température ambiante, par exemple en utilisant de l'azote liquide et de faire remonter la température de la pièce à la température ambiante en la laissant à l'air libre. [0027] Le traitement thermochimique de carbonitruration ou de cémentation C pris isolément permet d'améliorer significativement les propriétés mécaniques, par exemple la tenue au choc et à la fatigue. Le traitement de carbonitruration ou de cémentation C ou de nitruration N permet d'améliorer les propriétés tribologiques des pièces traitées, notamment en ce qui concerne différents types d'usure. [0028] Sans que cela soit limitatif, les pièces traitées peuvent être des pièces utilisées dans l'industrie automobile, notamment des pignons de boîte de vitesses. Le désavantage d'un traitement thermochimique de carbonitruration ou de cémentation pris isolément est sa nécessité pratiquement systématique à être couplé à un traitement de revenu et à un grenaillage pour ajuster les propriétés mécaniques et tribologiques, le revenu servant à l'amélioration de la tenue au choc et le grenaillage pour la tenue à la fatigue et à l'écaillage. [0029] Inversement, le procédé de traitement thermochimique de la présente invention combine deux étapes théoriquement indépendantes, la première étant une carbonitruration ou cémentation C, conformément à l'étape II et la seconde une nitruration N, conformément à l'étape IV. Cette combinaison peut permettre de s'affranchir des traitements de revenu et de grenaillage pouvant être nécessaires après un traitement de carbonitruration ou de cémentation prise isolément. En effet, le traitement de nitruration, conformément à l'étape IV, améliore significativement la tenue en fatigue et la tenue à l'écaillage. [0030] Avantageusement, l'étape IV de nitruration est couplée à une technique de refroidissement du type trempe spécifique. Il s'agit d'une trempe bainitique. [0031] En effet, comme la température de l'étape de nitruration ou étape IV est similaire à la température de trempe bainitique d'un acier faiblement allié, il est possible de combiner avec la nitruration N une trempe bainitique avec les avantages suivants : - obtention de caractéristiques mécaniques et métallurgiques favorables à la résistance à la rupture - moindres déformations que celles résultant d'une trempe martensitique car la bainite s'opère sans développer de contraintes dans la masse de la pièce traitée et avec une faible distorsion du réseau cristallin du métal, - à dureté équivalente, la résilience de l'acier traité est supérieure à celle d'une trempe- revenu d'où les applications sur des pièces devant présenter une bonne résistance aux chocs, ce qui est le cas par exemple de pignons de boîte de vitesses, - meilleure tenue à la fatigue de la pièce que celle obtenue par la trempe martensitique faite habituellement, - bonne stabilité dimensionnelle dans le temps de la pièce. [0032] La présente invention permet ainsi d'augmenter la résistance d'une pièce en acier ou de réduire sa masse à iso performance tout en conservant un temps de traitement comparable à celui de l'état de la technique avec la suppression des opérations de revenu et/ou de grenaillage et moins de manipulations de la pièce, étant donné que les étapes II et IV se font dans un même four. [0033] II y a ainsi amélioration des tenues fonctionnelles des pièces traitées et à terme, une possibilité de réduction de la masse des pièces à iso performance. [0034] La présente invention peut être applicable à toute l'industrie métallurgique et pas uniquement à l'industrie automobile. [0035] L'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'a titre d'exemple.

Claims

REVENDICATIONS: 1. Procédé de traitement thermochimique pour le renforcement d'une pièce en acier, comportant une étape de carbonitruration ou de cémentation (II, C) dans un four et une étape de nitruration (IV, N), caractérisé en ce que les étapes de carbonitruration ou de cémentation (II, C) et de nitruration (IV, N) s'effectuent dans le même four, l'étape de nitruration (IV, N) suivant l'étape de carbonitruration ou de cémentation (II, C).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de carbonitruration ou de cémentation (II, C) est précédée d'une étape de montée en température (I) à pression atmosphérique ou pression réduite jusqu'à une température au-dessus de la température Ac3 de la nuance d'acier choisie pour la pièce.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape de carbonitruration ou de cémentation (II, C) s'effectue au-dessus de la température Ac3 de la nuance d'acier choisie pour la pièce, ceci à pression atmosphérique ou à pression réduite.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, entre l'étape de carbonitruration ou cémentation (II, C) et l'étape de nitruration (IV, N), est intercalée une étape de trempe (III) de la pièce, la température en fin de trempe dépendant de la nature de l'acier traité et étant déterminée par exploitation des courbes TTT.
5. Procédé selon la revendication 4, pour lequel le fluide de la trempe est gazeux sous pression (III).
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, pour lequel l'étape de nitruration (IV, N) s'effectue en phase gazeuse, à pression atmosphérique ou pression réduite.
7. Procédé selon la revendication 6, pour lequel l'étape de nitruration (IV, N) s'effectue à une température usuellement comprise entre 450 et 600°C.
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, pour lequel la température de l'étape de nitruration (IV, N) est choisie pour permettre la formation de bainite.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel l'étape de nitruration (IV, N) est suivie d'une étape de refroidissement (V) à la températureambiante de la pièce, l'étape de refroidissement (V) utilisant un fluide de refroidissement liquide ou gazeux, le fluide étant ou non sous pression.5