FR2999610A1 - Procede de renforcement de pieces mecaniques soumises a la fatigue de contact - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et une installation de renforcement de pièces en acier comprenant une étape d'enrichissement thermochimique permettant d'enrichir l'acier au moins en carbone, conduite à une température au moins égale à la température AC3 de début de transformation austénitique de l'acier. La première étape d'enrichissement thermochimique inclut une opération finale de trempe, et est suivie d'une étape d'enrichissement en azote par implantation ionique. L'invention s'adresse également aux pièces issues d'un tel procédé.

Description

PROCEDE DE RENFORCEMENT DE PIECES MECANIQUES SOUMISES A LA FATIGUE DE CONTACT L'invention concerne les procédés de traitement de pièces mécaniques en acier. Plus particulièrement, elle concerne les procédés d'enrichissement thermochimique par diffusion tels que des procédés de cémentation ou de carbonitruration. Ces procédés permettent d'enrichir en carbone ou en carbone et azote, de manière surfacique, l'acier des pièces mécaniques pour en améliorer la dureté et la tenue à la fatigue. L'invention a également trait aux installations pour la mise en oeuvre de ces procédés et aux pièces mécaniques ainsi obtenues. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'industrie automobile pour le renforcement de pièces mécaniques telles que des pièces composant les boîtes de vitesse, qui sont en effet soumises lors de leur fonctionnement à des frottements très importants.

Le fonctionnement des boîtes de vitesse contribue aux émissions de CO2 des véhicules automobiles. Ces émissions sont estimées de 6 à 8 grammes de CO2 dont 1 à 2 grammes sont imputables aux pertes mécaniques par frottement dues à l'engrènement des pignons. Pour baisser ces émissions de CO2, et par conséquent abaisser la consommation de carburant, les constructeurs automobiles ont fait le choix d'une diminution de taille (ou « downsizing »). Cette démarche consiste à continuer d'optimiser les performances des moteurs et des boîtes de vitesse, tout en cherchant à réduire leur encombrement. Ces gains, notamment en termes de poids, se traduisent par une consommation moindre du véhicule.

Le « downsizing » se heurte cependant à de multiples difficultés d'ordre technique : de nombreuses pièces doivent transmettre des efforts de plus en plus importants tout en étant dimensionnées à la baisse, ce qui se traduit par des sollicitations accrues des matériaux.

On notera par exemple, suivant les rapports de vitesses considérés, des niveaux de pression de contact inter-dentures de 800 et 3000 MPa, des vitesses de roulement de 1 à 5 m/s et des taux de glissement de 10 à 50%. Sous l'effet des sollicitations, les pièces en contact s'usent prématurément. Cette usure peut conduire à l'apparition d'écailles pouvant générer des bruits ou entraîner la rupture des dents. L'écaillage des dentures de pignons est un mécanisme de ruine de type fatigue de contact car les dentures sont soumises à des chargements cycliques de type contact frottant. Sous l'effet de la pression et de la vitesse de glissement, des écailles ont tendance à s'amorcer puis à se propager pour finalement générer un réseau d'écailles particulier. Ainsi le mécanisme d'écaillage se décompose en trois phases différentes : l'amorçage d'une écaille, la création d'une écaille et la propagation d'un réseau d'écailles. Il est connu que les contraintes de compression maximales dans un contact entre deux pièces soumises à un effort se situent en surface, mais que les contraintes de cisaillement maximales se situent à une certaine distance sous la surface. Dans le cas d'un roulement sans glissement (appelé « roulement pur »), ces contraintes deviennent assez importantes pour que des microfissures de fatigue puissent s'initier sous la surface. Ces fissures évoluent ensuite vers la surface, formant des « cratères >>, appelés écailles. Lorsque des possibilités de glissement sont introduites, la zone d'amorçage des écailles a tendance à remonter en surface. Il est à noter que des défauts de surface, des défauts en profondeur ou encore une rupture de la couche de lubrification sont souvent la source de l'amorçage de l'écaillage.

Ce mécanisme d'endommagement des dentures par écaillage survient malgré les renforcements de traitement thermochimique appliqués actuellement sur les pignons. Ces traitements thermochimiques mettent généralement en oeuvre des procédés de cémentation ou de carbonitruration.

Les procédés de cémentation consistent à enrichir en carbone la zone superficielle de pièces en acier à bas carbone (contenant initialement de 0,1% à 0,3 c/o de carbone en masse), puis à les tremper de manière à obtenir en surface une couche martensitique dure, résistante à l'usure, et un coeur moins dur et donc plus ductile susceptible d'absorber les chocs. Par exemple, il est intéressant d'obtenir une structure martensitique en surface et une structure bainitique à coeur. Dans les procédés de carbonitruration, on ajoute à l'atmosphère de cémentation une quantité d'ammoniac, généralement inférieure à 5% du volume. A la température du traitement, l'ammoniac se décompose en azote et hydrogène. Une partie de l'azote pénètre dans les mailles du réseau cristallin de l'acier et induit une augmentation de la trempabilité de l'acier. Par ailleurs, l'introduction d'azote améliore la vitesse de diffusion du carbone dans l'acier si bien que la mise en oeuvre d'un traitement de carbonitruration permet de réduire légèrement le temps de traitement. Le document FR2909100 décrit un exemple de mise en oeuvre d'un tel procédé.

La trempe effectuée dans le cadre des procédés de cémentation ou de carbonitruration est généralement une trempe à l'huile ou au gaz. Les procédés de cémentation ou de carbonitruration peuvent être menés à pression atmosphérique ou à basse pression. Pour les procédés à basse pression (ou à pression réduite), l'enceinte du four contenant les pièces à traiter est maintenue à une pression légèrement inférieure à quelques centaines de pascals. Les procédés de cémentation ou de carbonitruration peuvent également être ioniques ou conduits dans un bain de sels. Les enrichissements en carbone et en azote réalisés en surface des pièces sont généralement de l'ordre de 0,9 c/o pour le carbone et de 0,25 c/o en azote. Les duretés 25 atteintes en surface sont de l'ordre de 650 à 800 HV en surface avec une profondeur de traitement de 300 à 450 pim (pour l'E650 ou E550) 2 9 9 96 10 4 L'invention a pour objectif de proposer une solution aux problèmes d'endommagement par écaillage de pièces mécaniques sujettes à des frottements importants en fonctionnement tels que constatés dans l'art antérieur. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de renforcement de pièces en acier 5 comprenant une première étape d'enrichissement thermochimique permettant d'enrichir l'acier au moins en carbone, conduite à une température au moins égale à la température AC3 de début de transformation austénitique de l'acier, ladite première étape d'enrichissement thermochimique incluant une opération finale de trempe, remarquable en ce que cette première étape est suivie d'une étape d'enrichissement en 10 azote par implantation ionique. Selon des modes particuliers de mise en oeuvre, le procédé peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - La première étape d'enrichissement thermochimique est une étape de 15 cémentation enrichissant l'acier en carbone ou une étape de carbonitruration enrichissant l'acier en carbone et en azote. La première étape d'enrichissement thermochimique inclut une opération finale de trempe des pièces. La température finale de trempe est inférieure à 200°C. - L'opération de trempe des pièces se fait par soufflage sous atmosphère 20 contrôlée en présence d'un gaz neutre, de préférence le gaz neutre est de l'azote gazeux. - L'étape d'enrichissement en azote est une étape de nitruration par implantation ionique. - L'étape d'enrichissement en azote par implantation ionique est effectuée à une température inférieure à 200°C, de préférence elle est effectuée à une température inférieure à 150°C, de préférence encore inférieure à 100°C. - L'étape d'enrichissement en azote par implantation ionique est conduite sous vide. - L'étape d'enrichissement en azote par implantation ionique est menée de manière à traiter les pièces localement, zone par zone. - L'étape d'enrichissement en azote par implantation ionique est conduite de manière à obtenir un profil d'implantation de 2 à 5 c/o d'azote entre 0,5 et 2 ptm, de préférence d'environ 3 c/o d'azote. - L'étape d'enrichissement en azote par implantation ionique est suivie d'une étape d'application d'un lubrifiant solide, de préférence cette étape est un traitement par nano-poudres déposées par projection à froid, de bisulfure de tungstène ou de nitrure de bore ou de bisulfure de molybdène. - L'acier composant les pièces est un acier faiblement allié, de préférence un acier comprenant de 0,1 à 0,3% de carbone, le pourcentage étant donné en masse totale, de préférence la première étape d'enrichissement thermochimique est conduite de manière à augmenter la teneur surfacique en carbone des pièces jusqu'à une teneur de 0,9% de carbone, le pourcentage étant donné en masse totale. L'invention a également pour objet une pièce mécanique en acier remarquable en ce qu'elle est obtenue par le procédé tel que défini plus haut et en ce qu'elle présente en surface une structure cristallographique de type martensitique et une dureté en surface supérieure à 750 HV, de préférence supérieure à 800 HV. De préférence la pièce mécanique est une pièce de pignonnerie, par exemple un composant de boîte de vitesse tel qu'un pignon d'un arbre primaire ou secondaire, un pignon baladeur, une couronne, etc. L'invention a enfin pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini plus avant, remarquable en ce qu'elle comprend, disposés successivement : - un four à cémentation ou à carbonitruration ; - un dispositif de trempe; - éventuellement un équipement de préparation de surface, de préférence incluant un équipement de tribofinition ; - un dispositif de nitruration par implantation ionique; - éventuellement une enceinte équipée de moyens de projection à froid d'un lubrifiant solide. 2 9 9 96 10 6 Préférentiellement, le dispositif de nitruration par implantation ionique comprend au moins une source d'ions de type RCE. De préférence, il comprend un ensemble de trois chambres disposées successivement à la suite l'une de l'autre, la chambre centrale étant la chambre d'implantation, la première chambre étant une chambre de mise sous 5 vide et la troisième chambre étant une chambre de remise sous pression atmosphérique. Comme on l'aura compris à la lecture de la définition qui vient d'en être donnée l'invention consiste à proposer une solution aux problèmes d'endommagement par écaillage en réduisant le frottement interdenture par un traitement de surface. Ce 10 traitement est avantageusement un traitement de nitruration par implantation ionique. Le traitement de nitruration est mené de manière à conserver la dureté des pièces obtenues préalablement par un traitement thermochimique. De manière surprenante, il a été montré que l'application d'un tel traitement de nitruration pouvait induire une perte sur la dureté préalablement obtenue. L'invention propose de conduire le traitement à 15 froid, c'est-à-dire à une température inférieure à 200°C, de préférence inférieure à 150°C, de préférence inférieure à 100°C, de manière à contenir cette perte de dureté dans une plage acceptable pour les applications considérées. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description qui suit donnée en référence aux figures annexées sur lesquelles : 20 - La figure 1 représente schématiquement une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - Les figures 2a à 2c sont des courbes de filiation de dureté obtenues respectivement par un procédé de carbonitruration classique, de carbonitruration suivie d'une nitruration par implantation ionique à froid selon l'invention et de 25 carbonitruration suivie d'une nitruration par implantation - diffusion à chaud. - La figure 3 est une courbe de filiation de dureté obtenue avec un profil d'implantation de 22,5% d'azote entre 0,5 et 2 pm. - La figure 4 est un diagramme comparatif montrant l'évolution du coefficient de frottement moyen en fonction de différents profils d'implantation. - La figure 5 est un diagramme comparatif montrant l'évolution du coefficient de frottement moyen en fonction de différents traitements effectués.

On se référera en premier lieu à la figure 1 représentant schématiquement une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Première phase : enrichissement thermochimique par cémentation ou carbonitruration Dans notre exemple, le procédé met en oeuvre une étape A de carbonitruration « basse pression >>. L'installation 1 comprend un four 3 de carbonitruration à basse pression. Le four 3 présente une enceinte étanche 5 délimitant une enceinte interne 7 dans laquelle est disposée une charge 9 à traiter. Dans notre exemple, la charge 9 est constituée par une pluralité de couronnes disposées sur un ou des supports appropriés. L'acier constituant les pièces est un acier bas carbone par exemple une nuance 27MnCr5 ou 23MnCrMo5 ou 27CrMo4 comprenant de 0,2 à 0,3 % de carbone (le pourcentage est donné par rapport à la masse totale) ou encore une nuance 16NiCrMo13 comprenant de 0,1 à 0,2 % de carbone. Une pression de l'ordre de quelques centaines de pascals est maintenue dans l'enceinte interne 7 grâce à une canalisation d'extraction 11 reliée à un extracteur 13. Un injecteur 15, montrant généralement une pluralité de buses, permet d'introduire des gaz dans l'enceinte interne 7. L'installation comprend à cet effet des moyens 17 d'approvisionnement en gaz contrôlés par des vannes 19. L'actionnement des différentes vannes 19 va permettre l'injection dans l'enceinte interne 7 des différents gaz de cémentation et de nitruration via l'injecteur 15. Des moyens de chauffage 21 permettent d'élever et de maintenir dans l'enceinte interne 7 la température aux valeurs de mise en oeuvre du procédé.

L'étape de carbonitruration se déroule comme suit. La charge 9 est introduite dans l'enceinte interne du four de carbonitruration. La température dans l'enceinte interne est élevée jusqu'à un palier de température compris entre environ 800°C et 1200°C, de préférence entre environ 800°C et 1050°C, par exemple 880°C. La température est maintenue dans une étape d'homogénéisation de la température des pièces. Les étapes d'élévation de la température et d'homogénéisation de la température des pièces sont réalisées en présence d'un gaz neutre, par exemple de l'azote (N2), auquel est éventuellement ajouté un gaz réducteur, par exemple de l'hydrogène (H2). Le gaz réducteur peut être ajouté dans une proportion de 1 à 5 c/o en volume du gaz neutre. Le procédé se poursuit de manière classique par une alternance d'étapes d'enrichissement en carbone, pendant lesquelles le gaz de cémentation est injecté dans l'enceinte interne, et d'étapes de diffusion pendant lesquelles le gaz de cémentation n'est plus injecté dans l'enceinte. Le gaz de cémentation peut être de l'acétylène ou tout autre hydrocarbure susceptible de se dissocier aux températures de l'enceinte pour cémenter les pièces à traiter. Une série d'étapes d'injection et de diffusion des gaz de nitruration, par exemple de l'ammoniac (NH3) est réalisée à la suite de l'étape de cémentation ou de manière superposée. L'étape d'enrichissement est conduite de manière à augmenter la teneur surfacique en carbone de la pièce jusqu'à une teneur supérieure à 0,4% de carbone exprimé en pourcentage par rapport à la masse, par exemple jusqu'à une teneur de 0,9% de carbone. Le cycle de carbonitruration est clos par une opération B de trempe de la charge 9. De manière avantageuse, le four 3 comprend des moyens 23 de soufflage disposés à différents endroits de l'enceinte et une circulation d'air dans l'enceinte. Le flux est dirigé par des déflecteurs. On notera que le refroidissement se fait de préférence sous atmosphère contrôlée en présence d'un gaz neutre tel que de l'azote gazeux afin d'éviter la formation d'oxydes à la surface de l'acier qui serait préjudiciables à la bonne mise en oeuvre de l'étape suivante de nitruration. L'étape de trempe peut également se faire à l'huile par immersion dans un bac. La température finale de trempe est inférieure à 200°C, par exemple elle est comprise entre 160 et 180°C.

L'étape de trempe permet d'obtenir une structure cristallographique de type martensite en surface de la pièce. Avantageusement une structure cristallographique de type bainite est obtenue au coeur de la pièce. La trempe est de préférence effectuée sous atmosphère neutre afin d'éviter l'oxydation. Deuxième phase : préparation de surface De manière optionnelle, on soumet les pièces à une ou plusieurs étapes de préparation de surface (C) en vue d'abaisser leur rugosité de surface (Ra). Par exemple une étape de finition primaire de type classique, par exemple rectification, etc., suivie d'un nettoyage de surface dans une cuve 25 au moyen d'une solution de dégraissage 27. La solution de dégraissage utilisée est de préférence de type alcaline à une température comprise entre 35 et 60 °C. Cette étape dure classiquement moins de 10 min. Les pièces sont ensuite soumises à une étape de tribofinition organisée pour diminuer encore leur rugosité en surface. De manière avantageuse, ces étapes de préparation de surface sont effectuées avant le traitement d'implantation ionique, afin de ne pas endommager la couche d'implantation des ions. Troisième phase : implantation ionique Les procédés de nitruration par implantation ionique sont connus et par exemple décrits dans le document FR2896515. Selon l'invention, l'étape D de nitruration par implantation ionique est menée dans un dispositif d'implantation 29 comprenant trois chambres successives. Une première chambre 31 de conditionnement permettant de mettre les pièces sous vide. A cet effet, un vide de l'ordre de 10-3 mbars est créé grâce à une canalisation d'extraction 11 reliée à un extracteur 13. Cette chambre de conditionnement permet de conserver la chambre d'implantation 33 sous vide et donc d'économiser les temps de mise sous vide. Le traitement est en effet effectué sous un vide de l'ordre de 10-3 mbars. De manière connue, ce vide a pour objectif d'empêcher l'interception du faisceau par des gaz résiduels et d'éviter la contamination de la surface de la pièce par ces mêmes gaz lors de l'implantation. Les procédés de nitruration par implantation ionique sont connus de l'homme du métier et les principes à leur base ne seront donc pas détaillés dans le présent mémoire. On indiquera simplement que les pièces sont exposées à un faisceau 35 d'ions d'azote émis par une source d'ions 37. Ce traitement de nitruration va permettre de traiter les pièces en surface afin de renforcer leurs caractéristiques de dureté, de lubrification et de résistance à la corrosion. Ce traitement permet l'implantation d'ions d'azote dans les 2 9996 10 10 interstices de la structure cristalline de la pièce métallique, ce qui va réduire les possibilités de mouvement des différents cristaux entre eux. Les ions obtenus par la source d'ions sont préférentiellement des ions d'azote N+, N2+ ou N3+. Ils peuvent être accélérés par un champ électrique. Ainsi, la source d'ions 37 5 peut être un accélérateur tel qu'un cyclotron ou bien une source à résonance cyclotronique électronique, dite source RCE. L'emploi d'une source RCE est privilégié dans l'invention car les ions produits par une telle source ont de manière connue une charge élevée et, de ce fait, une plus grande énergie pour une même tension d'accélération. 10 L'implantation de ces ions d'azote peut se faire à des profondeurs variables, en fonction des besoins et de la forme de la pièce. Cette profondeur dépend de l'énergie d'implantation du faisceau d'ions. Selon l'invention, le traitement est réalisé de façon à montrer une profondeur d'implantation de 0,5 à 2 pm. Le traitement est mené de sorte à donner aux ions pénétrant dans la pièce une énergie 15 d'implantation de l'ordre de 10 à 400 keV. Afin d'éviter une perte de structure résultant d'un réchauffement de la surface de la pièce, l'homme du métier prendra soin de réaliser le traitement de nitruration « à froid >>, c'est-à-dire à une température inférieure à 100°C. L'homme du métier évitera en particulier d'effectuer le traitement de nitruration à une température supérieure à 200°C. 20 Sans être lié par une théorie en particulier, il semble qu'a une telle température, un échauffement local lors du traitement conduise à une chute drastique de la dureté et des caractéristiques mécaniques de l'acier. On se réfère à présent aux graphiques 2a à 2c montrant des filiations de dureté sur des pièces de référence n'ayant pas subi de traitement d'implantation ionique d'azote après 25 un traitement thermochimique de carbonitruration atmosphérique (courbe 2a), selon le procédé de l'invention avec un traitement de nitruration par implantation ionique mené à froid (courbe 2b), ou traitées avec un traitement de nitruration-diffusion par implantation ionique mené à 200°C (courbe 2c). Les courbes représentent la dureté de l'acier (mesurée en HV) en fonction de sa profondeur dans la pièce (donnée en distance par rapport à la surface). Pour un même acier d'origine, on peut voir que l'acier traité selon l'invention conserve un niveau de dureté surfacique de l'ordre de 700 à 800 HV. Au contraire le niveau de dureté surfacique est perdu lorsque le traitement de nitruration par implantation ionique est mené par implantation diffusion.

On se réfère à présent à la courbe 3 montrant des filiations de dureté sur des pièces ayant subi des profils d'implantation entre 0,5 et 2 ptm avec des doses différentes. On constate une perte de dureté importante pour le profil à 22, 5% d'azote (courbe 3) alors que sur le profil à 3 c/o d'azote (courbe 2b) la perte en dureté reste dans une marge acceptable. C'est pourquoi un profil d'implantation à 3% d'azote est choisi par l'invention. L'explication de ce phénomène de perte de dureté sur les profils à 22,5 c/o d'azote tient peut-être à une augmentation de la température surfacique liée à une augmentation du nombre de passes ou à une augmentation de l'intensité de bombardement nécessaire à l'obtention de telles concentrations. Revenant à la figure 1, on voit que les pièces métalliques sont traitées zone par zone en raison de la forme géométrique qu'elles présentent, en particulier par exemple dans le cas de pignons présentant une denture hélicoïdale. A cette fin, l'implantation d'azote est réalisée en créant un mouvement relatif entre la source d'ions et les pièces métalliques. On peut au choix déplacer la source d'ions par rapport à la pièce à traiter, ou comme dans un mode de réalisation préféré de l'invention, déplacer les pièces à traiter par rapport à la source d'ions. Le mouvement des pièces est assuré grâce à un robot 39 articulé avec des axes rotatifs. L'installation selon l'invention permet de préférence de traiter plusieurs pièces dans une même chambre d'implantation. A cet effet, la chambre d'implantation est équipée de plusieurs sources de production de faisceaux d'ions 35. Les déplacements du robot 39 sont calculés selon plusieurs axes par un ordinateur équipé d'un système CFAO (Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur). La vitesse de déplacement des pièces peut être variable ou constante. Cette vitesse dépend du débit du faisceau, du profil de concentration des ions implantés et du nombre de passes que l'on souhaite exécuter. La vitesse peut également varier en fonction de l'angle d'incidence du faisceau par rapport à la surface, pour compenser une éventuelle faiblesse de la profondeur d'implantation par une augmentation du nombre d'ions implantés. Avantageusement, selon l'invention, la durée d'implantation sur une zone est inférieure à 10 secondes. Une fois le traitement d'implantation fait, les pièces pénètrent dans la troisième chambre 41 pour une remise à pression atmosphérique.

En se référant au graphique 4, on peut voir que le traitement ainsi réalisé sur des pièces préalablement traitées par carbonitruration atmosphérique permet de faire baisser le coefficient de frottement inter-denture de 10 à 20 % et ce qu'elle que soit le profil d'implantation choisi, 22,5 % d'azote, 45 % d'azote ou 3 % d'azote. Ceci correspond au niveau d'un véhicule à une baisse des émissions de CO2 de 0,2 à 0,35 g/km. Quatrième phase : application d'un lubrifiant solide De manière optionnelle, afin d'augmenter encore les performances obtenues, un lubrifiant solide de type bisulfure de tungstène (WS2), nitrure de bore (BN2) ou bisulfure de molybdène (M0S2) est appliqué sur les pièces. De tels procédés sont connus de l'homme du métier, et décrits par exemple dans le document FR2932193. Ils ne seront donc pas décrits en détail dans le présent mémoire. On indiquera cependant que la mise en oeuvre de la phase de traitement de surface C préalablement à la phase d'implantation ionique est recommandée lorsqu'une telle application d'un lubrifiant solide est envisagée. Dans cette phase les pièces sont ensuite soumises à une projection à haute vitesse et à température ambiante de poudre de bisulfure de tungstène ou équivalent. Ainsi les pièces sont conduites dans l'enceinte de projection à froid de bisulfure de tungstène (WS2). Elles sont ainsi empilées sur des carrousels 45 animés d'un mouvement de rotation.

Plusieurs buses 47 de projection de WS2, débouchant sur l'enceinte de projection, sont réglées à une pression de 15 à 20 bars. Le nombre de buses est fonction de la capacité de l'enceinte.

D'autres lubrifiants solides peuvent être utilisés tels que du nitrure de bore (NB2) ou du bisulfure de molybdène (M0S2). Sur le graphique 5, on peut voir que le traitement ainsi réalisé sur des pièces préalablement traitées par carbonitruration atmosphérique permet de faire baisser encore le coefficient de frottement inter-denture. Pour un même acier de départ et par rapport à un traitement de référence consistant en un simple traitement chimique, le coefficient de frottement est diminué encore par l'application d'un lubrifiant solide de type W52 sur une pièce qui est soumise à une nitruration par implantation ionique. La baisse du coefficient de frottement inter-denture conduit à une réduction de l'endommagement par fatigue de contact dans des conditions opératoires représentatives du fonctionnement des pignons de boîtes de vitesses (pression de contact de 2000 MPa, vitesse de roulement 3 m/s, 10% de taux de glissement, à 100°C avec de l'huile de boîte classique).

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de renforcement de pièces en acier comprenant une première étape (A) d'enrichissement thermochimique permettant d'enrichir l'acier au moins en carbone, conduite à une température au moins égale à la température AC3 de début de transformation austénitique de l'acier, ladite première étape d'enrichissement thermochimique incluant une opération finale de trempe (B), caractérisé en ce que cette première étape (A) est suivie d'une étape d'enrichissement en azote par implantation ionique (D).
2. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la première étape (A) d'enrichissement thermochimique est une étape de cémentation enrichissant l'acier en carbone ou une étape de carbonitruration enrichissant l'acier en carbone et en azote.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que l'opération de trempe (B) des pièces se fait par soufflage sous atmosphère contrôlée en présence d'un gaz neutre, de préférence le gaz neutre est de l'azote gazeux.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'étape d'enrichissement en azote par implantation ionique (D) est précédée d'une étape de préparation des surfaces (C) incluant une tribofinition des pièces.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'étape d'enrichissement en azote par implantation ionique (D) est effectuée à une température inférieure à 200°C, de préférence elle est effectuée à une température inférieure à 100°C.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'étape d'enrichissement en azote par implantation ionique (D) est conduite de manière à obtenir un profil d'implantation de 2 à 5 %, de préférence 3 % d'azote entre 0 ,5 et 2 pm.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'étape d'enrichissement en azote par implantation ionique (D) est suivie d'une étape d'application d'un lubrifiant solide, de préférence cette étape est un traitement par nano-poudres déposées par projection à froid, de bisulfure de tungstène ou de nitrure de bore ou de bisulfure de molybdène.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'acier composant les pièces est un acier faiblement allié, de préférence un acier comprenant de 0,1 à 0,3% de carbone, le pourcentage étant donné en masse totale, de préférence la première étape d'enrichissement thermochimique est conduite de manière à augmenter la teneur surfacique en carbone des pièces jusqu'à une teneur de 0,9% de carbone, le pourcentage étant donné en masse totale.
9. 9. Pièce mécanique en acier caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 8 et en ce qu'elle présente en surface une structure cristallographique de type martensitique et une dureté en surface supérieure à 750 HV, de préférence supérieure à 800 HV.
10. 10. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisée en ce qu'elle comprend, disposés successivement : un four (3) à cémentation ou à carbonitruration ; un dispositif de trempe (23); éventuellement un équipement de préparation de surface, de préférence incluant un équipement de tribofinition ; un dispositif (29) de nitruration par implantation ionique; éventuellement une enceinte (43) équipée de moyens (47) de projection à froid d'un lubrifiant solide.30