FR3105262A1 - Procédé et installation de traitement d’une pièce en métal ferreux - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de traitement d’une pièce en métal ferreux, comprenant : - une opération de nitruration apportant sur la pièce une couche de combinaison ayant une profondeur comprise entre 5 et 30 µm et une couche de diffusion ayant une profondeur comprise entre 100 et 500 µm ; puis - une opération de trempe par induction haute-fréquence de la pièce, sur une profondeur d’induction supérieure ou égale à 0,5 mm, apportant un durcissement de la pièce procurant une dureté de surface supérieure ou égale à 50 HRC et une dureté de la couche de combinaison supérieure ou égale à 400 HV0,05. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé et installation de traitement d’une pièce en métal ferreux
Le domaine de l’invention est celui du traitement de surface des pièces en métal ferreux, notamment en acier très faiblement ou faiblement allié.
ART ANTERIEUR
Dans les applications automobiles, aéronautiques ou industrielles, les pièces mécaniques sont généralement soumises à d’importantes sollicitations en service.
De manière classique, les pièces peuvent recevoir un ou plusieurs traitements permettant d’améliorer certaines de leurs performances, parmi lesquelles les propriétés de frottement, la résistance à l’usure, la résistance à la fatigue, la résistance à l’écaillage, la tenue à la corrosion, etc.
Cependant, il est difficile d’obtenir un bon compromis entre les différentes propriétés de la pièce.
A titre d’exemple, WO2011013362A1 décrit un procédé de traitement d’une pièce, comprenant une opération de nitruration, une opération de revêtement par un film de conversion chimique (sol-gel), et une opération de trempe par induction. Cependant, un tel procédé présente un coût prohibitif, en raison du coût du film et de la nécessité de réaliser trois opérations successives.
Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients ci-dessus.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de traitement d’une pièce en métal ferreux, comprenant :
- une opération de nitruration apportant sur la pièce une couche de combinaison ayant une profondeur comprise entre 5 et 30 µm et une couche de diffusion ayant une profondeur comprise entre 100 et 500 µm ; puis
- une opération de trempe par induction haute-fréquence de la pièce, sur une profondeur d’induction supérieure ou égale à 0,5 mm, apportant un durcissement de la pièce procurant une dureté de surface supérieure ou égale à 50 HRC et une dureté de la couche de combinaison supérieure ou égale à 400 HV0,05.
Ainsi, l’invention permet d’obtenir une pièce nécessitant à la fois une importante résistance à l’usure par abrasion et adhésion, et une amélioration de propriétés de frottement, résistance à l’écaillage et tenue à la corrosion.
En outre, l’invention permet de se passer d’un film sol-gel, et donc de réduire les coûts de traitement.
Selon d’autres caractéristiques avantageuses de l’invention, prises isolément ou en combinaison :
- L’opération de trempe par induction n’est pas suivie par une opération de revenu.
- L’opération de nitruration est une nitruration au gaz, une nitruration au plasma, ou une nitrocarburation.
- La nitrocarburation est réalisée à une température comprise entre 500 et 630°C, pendant une durée comprise entre 15 minutes et 3 heures.
- La nitrocarburation est réalisée avec un bain de sel comprenant un composé CNO entre 16 et 18% en masse et un composé CN- entre 1 et 3% en masse.
- L’opération de trempe par induction haute-fréquence est réalisée sans film protecteur sur la pièce.
- L’opération de trempe par induction haute-fréquence est réalisée avec les paramètres suivants : une fréquence comprise entre 50 et 400 kHz et une énergie linéaire comprise entre 4,6 et 5,8 J/mm.
- Par exemple, l’opération de trempe par induction haute-fréquence est réalisée avec une vitesse de défilement comprise entre 18 et 22 mm/s.
- L’opération de trempe par induction haute-fréquence assure une résistance à la corrosion de la pièce supérieure à 80 heures lors d’un essai au brouillard salin standard, du type EN ISO 9227.
- La pièce est en acier très faiblement allié, avec une teneur en manganèse inférieure à 1 % et sans élément d'addition dépassant 5 % en masse, de la famille C10-C70, par exemple la nuance C45.
- La pièce est en acier faiblement allié, sans élément d'addition dépassant 5 % en masse, par exemple la nuance 31CrMo.
L’invention a également pour objet une installation de traitement d’une pièce en métal ferreux, comprenant :
- un dispositif de nitruration, configuré pour apporter sur la pièce une couche de combinaison ayant une profondeur comprise entre 5 et 30 µm et une couche de diffusion ayant une profondeur comprise entre 100 et 500 µm ; et
- un dispositif de trempe par induction haute-fréquence de la pièce, sur une profondeur d’induction supérieure ou égale à 0,5 mm, configuré pour durcir la pièce avec une dureté de surface supérieure ou égale à 50 HRC et une dureté de la couche de combinaison supérieure ou égale à 400 HV0,05.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 est un graphique illustrant le profil de dureté de deux pièces, conformes et non conformes à l’invention.
La figure 2 est un tableau décrivant une série d’essais réalisés sur des pièces en acier, afin de caractériser le procédé selon l’invention.
La figure 3 est un graphique illustrant une série d’essais correspondant au tableau de la figure 2.
La figure 4 est une micrographie d’une pièce traitée par le procédé selon l’invention.
La figure 5 est une vue à plus grande échelle du détail V de la figure 4.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
La démarche des inventeurs a été de réaliser plusieurs séries d’essai mettant en œuvre différents traitements d’une pièce en métal ferreux.
En particulier, les inventeurs ont étudié les effets des deux traitements suivants.
La trempe haute fréquence (fréquence ≥ 20 kHz) apporte une structure martensitique en surface de la pièce, sur une couche d’induction ayant généralement une profondeur de l’ordre de 1 mm. Cette couche offre une dureté importante, très favorable à la résistance à l’usure abrasive et à la fatigue.
Le traitement de nitrocarburation ARCOR (marque déposée par le Demandeur) apporte, de la surface vers le cœur de pièce, une couche de combinaison CL et une couche de diffusion juxtaposées. La couche CL a généralement une profondeur de 20 µm, tandis que la couche de diffusion a généralement une profondeur de quelques dizaines ou centaines de microns, par exemple 300 µm.
La couche CL offre, entre autre, de bonnes propriétés de frottement, une haute résistance à l’usure adhésive et une bonne tenue à la corrosion.
La couche de diffusion offre un gradient de dureté, entre la couche CL et le matériau de base situé sous la couche de diffusion, favorable à une certaine résistance à l’usure (abrasive et adhésive) et une résistance à la fatigue.
Le Tableau 1 ci-après décrit différentes séries d’essais:
Série 1 2 3 4 5
Type ARCOR seul Trempe HF classique
seule		 Trempe HF classique
puis ARCOR		 ARCOR
puis Trempe HF classique		 ARCOR puis Trempe HF FLASH
= ARCOR FLASH conforme à l’invention
Usure abrasive + +++ + +++ +++
Usure adhésive +++ 0 +++ 0 +++
Fatigue + +++ + +++ +++
Propriété de frottement +++ 0 +++ 0 +++
Tenue corrosion +++ 0 +++ 0 +++
Anti-écaillage +++ +++ +++ - +++
Légende :
0 : propriété inexistante
+ : amélioration modérée de la propriété
++ : bonne propriété
+++ : excellente propriété
- : propriété dégradée
Commentaires sur les résultats des séries d’essais:
- Série 1: Faible profondeur de dureté en sous-couche (≈ 0,3 mm), donc résistance à l’usure abrasive et à la fatigue modérée.
- Série 2: Absence de propriété de frottement et de tenue à la corrosion.
- Série 3: La température de nitruration ARCOR (≈ 590°C) a un effet de revenu sur la structure martensitique apporté par la trempe HF. Cela se traduit par une importante baisse de dureté. Les résultats sont comparables à ceux de la Série 1.
- Série 4: Le paramètre temps / température de la trempe HF dégrade (par oxydation) la couche CL de l’ARCOR.
- Série 5: De façon surprenante, la trempe HF FLASH permet de minimiser / éliminer la dégradation (oxydation) de la couche CL de l’ARCOR. En comparaison avec la Série 4, la pièce conserve ses propriétés de base procurées par l’ARCOR. En comparaison avec la Série 1, la trempe HF FLASH augmente la dureté en-dessous de la couche CL, ainsi que la profondeur de durcissement.
La mise au point de l’invention a nécessité, dans un premier temps, d’identifier les avantages inattendus de la trempe HF FLASH par rapport à la trempe HF classique, puis dans un second temps, de caractériser les paramètres de la trempe HF FLASH afin de pouvoir mettre en œuvre le procédé de traitement ARCOR + trempe HF FLASH = ARCOR FLASH sur tous types de pièces ferreuses.
La figure 1 est un graphique permettant de comparer le profil de dureté de deux pièces, incluant une pièce recevant un traitement ARCOR seul (Série 1) et une pièce recevant un traitement ARCOR FLASH conforme à l’invention (Série 5).
Le traitement ARCOR FLASH permet d’augmenter la dureté en-dessous de la couche CL, notamment dans la couche de diffusion, ainsi que la profondeur de durcissement. Pour l’échantillon de la figure 1, la couche de diffusion présente une épaisseur comprise entre 400µm et 500µm et la profondeur d’induction est d’environ 1mm.
La figure 2 est un tableau décrivant une série d’essais réalisés sur des pièces en acier, afin de caractériser le procédé de traitement ARCOR FLASH conforme à l’invention.
Les pièces sont des barres en acier de diamètre 38 mm, ayant reçu un traitement ARCOR créant une couche combinaison CL de profondeur comprise entre 15 et 20 µm.
Les essais E1-E9 sont réalisés sur des barres en acier C45, les essais E10 et E11 sur des barres en acier C10, et l’essai E12 sur une barre en acier C70.
Les essais consistent en des opérations de trempe par induction haute-fréquence, réalisées avec des paramètres variables. La vitesse de défilement est celle de l’inducteur magnétique mobile en translation le long de la pièce.
Commentaires sur les résultats des essais:
- E1: Fréquence faible et puissance élevée. Couche de combinaison CL dégradée par l’induction.
- E2: Energie linéaire optimale. Résultats satisfaisants.
- E3: Défilement un peu trop rapide. Energie linéaire un peu trop faible. Dureté de surface et profondeur d’induction trop faibles.
- E4: Résultats moins bons que E2 mais meilleurs que E3.
- E5: Défilement un peu trop lent. Energie linéaire un peu trop élevé. Dureté de surface et profondeur d’induction satisfaisants, mais couche de combinaison CL dégradée par l’induction.
- E6, E7, E8 et E9: Essais visant à déterminer l’influence de la fréquence et de la vitesse de défilement. Résultats satisfaisants.
- E10, E11 et E12: Essais illustrant l’influence de la nuance d’acier sur les résultats du traitement.
- E10: Les paramètres de l’essai E5, testés sur un acier C10, donnent un résultat non conforme.
- E11: Les paramètres de l’essai E2, testés sur un acier C10, permettent d’obtenir des résultats satisfaisants.
- E12: Les paramètres de l’essai E2 permettent également d’obtenir des résultats satisfaisants avec un acier C70.
La figure 3 est un graphique montrant les résultats des essais E1-E9 de la figure 2, réalisés sur des barres en acier C45.
Sur le graphique, l’énergie linéaire (en W.s/mm) est représentée en abscisses et la fréquence d’induction (en kHz) est représentée en ordonnées.
Les figures 4 et 5 sont des micrographies d’une pièce P en acier C45 ayant reçu le traitement ARCOR FLASH avec une couche de combinaison de 18 µm, une couche de diffusion d’environ 300µm et une profondeur d’induction d’environ 0,5mm.
La pièce P comprend un substrat d’acier 1, une couche d’induction 2, une couche de combinaison CL, une feuille d’aluminium 4, et un enrobage 5. La couche de diffusion n’est pas visible sur les coupes micrographiques.
La couche de combinaison CL et la couche de diffusion sont obtenues par la nitrocarburation ARCOR.
La couche d’induction 2 obtenue par induction haute-fréquence est composée de martensite fine.
Ainsi, de manière inattendue, de nombreux avantages peuvent être obtenus par la mise en œuvre d’une opération de nitruration suivie d’une opération de trempe par induction haute fréquence présentant des paramètres particuliers (fréquence et énergie linéaire).
Le procédé selon l’invention permet d’obtenir des pièces en matériaux ferreux présentant une importante résistance à l’usure par abrasion et adhésion, et une amélioration de propriétés de frottement, résistance à l’écaillage et tenue à la corrosion, sans utiliser de film sol-gel.

Claims (10)

  1. Procédé de traitement d’une pièce (P) en métal ferreux, comprenant:
    - une opération de nitruration apportant sur la pièce (P) une couche de combinaison (CL) ayant une profondeur comprise entre 5 et 30 µm et une couche de diffusion ayant une profondeur comprise entre 100 et 500 µm; puis
    - une opération de trempe par induction haute-fréquence de la pièce (P), sur une profondeur d’induction supérieure ou égale à 0,5 mm, apportant un durcissement de la pièce (P) procurant une dureté de surface supérieure ou égale à 50 HRC et une dureté de la couche de combinaison (CL) supérieure ou égale à 400 HV0,05.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’opération de nitruration est une nitruration au gaz, une nitruration au plasma, ou une nitrocarburation.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la nitrocarburation est réalisée à une température comprise entre 500 et 630°C, pendant une durée comprise entre 15 minutes et 3 heures.
  4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la nitrocarburation est réalisée avec un bain de sel comprenant un composé CNO entre 16 et 18% en masse et un composé CN- entre 1 et 3% en masse.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’opération de trempe par induction haute-fréquence est réalisée sans film protecteur sur la pièce (P).
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’opération de trempe par induction haute-fréquence est réalisée avec les paramètres suivants:
    - une fréquence (F) comprise entre 50 et 400 kHz;
    - une énergie linéaire (E) comprise entre 4,6 et 5,8 J/mm.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’opération de trempe par induction haute-fréquence est réalisée avec une vitesse de défilement (V) comprise entre 18 et 22 mm/s.
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce (P) est en acier très faiblement allié, avec une teneur en manganèse inférieure à 1 % et sans élément d'addition dépassant 5 % en masse, de la famille C10-C70, par exemple la nuance C45.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce (P) est en acier faiblement allié, sans élément d'addition dépassant 5 % en masse, par exemple la nuance 31CrMo.
  10. Installation de traitement d’une pièce (P) en métal ferreux, comprenant:
    - un dispositif de nitruration, configuré pour apporter sur la pièce (P) une couche de combinaison (CL) ayant une profondeur comprise entre 5 et 30 µm et une couche de diffusion ayant une profondeur comprise entre 100 et 500 µm ; et
    - un dispositif de trempe par induction haute-fréquence de la pièce (P), sur une profondeur d’induction supérieure ou égale à 0,5 mm, configuré pour durcir la pièce (P) avec une dureté de surface supérieure ou égale à 50 HRC et une dureté de la couche de combinaison (CL) supérieure ou égale à 400 HV0,05.
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