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EP4069879A1 - Procédé de durcissement par nitruration - Google Patents

Procédé de durcissement par nitruration

Info

Publication number
EP4069879A1
EP4069879A1 EP20816502.7A EP20816502A EP4069879A1 EP 4069879 A1 EP4069879 A1 EP 4069879A1 EP 20816502 A EP20816502 A EP 20816502A EP 4069879 A1 EP4069879 A1 EP 4069879A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nitriding
treatment
potential
steel
carried out
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20816502.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Guillaume FALLOT
Simon Thibault
Grégory MICHEL
Denis FLECHE
Alexandre BONNIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut de Recherche Technologique Materiaux Metallurgie et Procedes IRT M2P
Original Assignee
Institut de Recherche Technologique Materiaux Metallurgie et Procedes IRT M2P
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut de Recherche Technologique Materiaux Metallurgie et Procedes IRT M2P filed Critical Institut de Recherche Technologique Materiaux Metallurgie et Procedes IRT M2P
Publication of EP4069879A1 publication Critical patent/EP4069879A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/80—After-treatment

Definitions

  • the present invention generally relates to the field of hardening of steel parts and more particularly that of nitriding. State of the art
  • Nitriding treatments are thermochemical treatments allowing the introduction by diffusion of nitrogen at the surface of the parts to achieve surface mechanical reinforcement, typically improving hardness and fatigue resistance.
  • Nitriding treatments are conventionally carried out on alloy steels previously treated by austenitization, quenching, and tempering at temperatures above 600 ° C. This then allows the steels to be nitrided at a lower temperature (conventionally at least 30 ° C lower) without affecting the underlying structural state.
  • the steel is nitrided at a temperature of the order of 480 ° C to 550 ° C in an atmosphere containing ammonia, which gives up nitrogen to the surface of the steel.
  • the nitrogen thus adsorbed causes the formation, on the surface, of a layer called the combination layer and consisting of iron nitrides, from which the nitrogen atoms diffuse towards the core of the part to form the diffusion layer .
  • the nitrogen adsorption kinetics at the steel surface, and the thickness of the combination and diffusion layers depend on the nitriding potential, denoted KN, applied during the nitriding treatment.
  • the gas nitriding of low alloy steels generates intergranular precipitation (PIG) of alloy cementite according to the following mechanism: substitution of carbides by nitrides; diffusion of carbon which is found in solid solution; precipitation at grain boundaries with mainly alloying elements (Cr, Mo, V).
  • the present invention provides a gas nitriding hardening process according to claim 1.
  • a nitrurable steel part, or a part thereof is subjected to a nitriding steel part, or a part thereof. initial hardening by austenitization and quenching, followed by intermediate tempering, then by a nitriding treatment in two successive stages.
  • the present process is suitable for the nitriding of so-called nitriding steels, therefore alloy steels, and more particularly low alloy steels.
  • the first step is a treatment with low nitriding potential, carried out at a nitriding potential KN lower than the nitriding potential KN for which a combination layer is formed on the surface of the steel part.
  • a nitriding potential KN lower than the nitriding potential KN for which a combination layer is formed on the surface of the steel part.
  • the second step is a treatment with a high nitriding potential, carried out at a nitriding potential KN greater than or equal to the nitriding potential for which a combination layer forms on the surface of the steel part.
  • the second step is carried out until the desired depth of nitriding is reached.
  • nitriding potential is defined as follows:
  • PH2 where PNH3 and PH2 respectively represent the partial pressures of ammonia and of hydrogen applied during the nitriding treatment.
  • KN the KN nitriding potential
  • KN the nitriding potential
  • the iron nitrides will not form, which results in the absence of formation of a combination layer. It is then possible to define a limit nitriding potential KN beyond which the combination layer is formed.
  • the first step of the present nitriding treatment therefore takes place under nitriding conditions favoring decarburization, which is the opposite of conventional methods, which on the contrary recommend starting the treatment at a high KN nitriding potential to promote formation. rapid of a combination layer which can subsequently feed the diffusion layer. Indeed, for those skilled in the art decarburization (elimination of carbon atoms released to the atmosphere) is conventionally associated with an embrittlement of the upper layer of steel and a decrease in its hardness, and should therefore be avoided.
  • the second step of the nitriding treatment of the present process takes place at a high nitriding potential, so as to form a combination layer.
  • This step makes it possible to saturate the surface layer of the treated steel part (or the part of the treated steel part) with nitrogen in order to maximize the surface hardness expected following a nitriding treatment.
  • the combination layer can be removed at the end of the nitriding treatment, in particular by machining / grinding.
  • the nitriding treatment which is the subject of the second step of the nitriding treatment of the present process corresponds to what is conventionally done during hardening of steel by nitriding. However, unlike what happens for steels subjected to a conventional treatment, the diffusion of nitrogen atoms within the steel part treated by the method according to the invention is facilitated by the prior elimination of the atoms. of carbon.
  • the diffusion layer thus obtained on the surface of a steel part treated according to the method has a surface hardness of the same order of magnitude as that obtained by a conventional treatment (surface hardness which is greater than the core hardness). But the part contains less cementite precipitated at the grain boundaries due to the prior elimination of carbon atoms.
  • the part treated according to the process has, on the surface, a “healthier” microstructure, with less intergranular precipitation, allowing performance in flexural fatigue and increased contact fatigue.
  • the microstructure of the surface layer is therefore generally less fragile.
  • the first step of the nitriding treatment is carried out under non-oxidizing nitriding conditions so as not to induce an increase in the brittleness of the steel part subjected to the process according to the invention.
  • the durations of the first and second stages are adapted according to needs. An increase in the treatment time leads, for the first step, to increased decarburization and for the second step to an increase in the depth of nitriding.
  • the first and second stages may have a substantially equal duration.
  • tests at different temperatures and different nitriding potentials for given steel compositions allow the calibration of the process.
  • the working temperatures are generally between 480 and 580 ° C, preferably between 500 and 550 ° C.
  • all of the nitriding (the two steps) can be carried out at the same temperature, called the nitriding temperature.
  • the nitriding treatment is advantageously carried out in the same oven.
  • the two stages are advantageously linked there without treatment or intermediate handling of the steel part to be treated. This is particularly advantageous in terms of implementation. This is especially so since for both stages, the treatment atmosphere comprises ammonia and dissociated ammonia (H2 andN2).
  • the control of the nitriding potential in the furnace is done by adjusting the ammonia feed rate according to the hydrogen concentration measured by means of a probe.
  • the weak and strong nitriding potentials are determined for a given temperature and a given alloy. This determination is made experimentally and on the basis of the Lehrer diagram.
  • the nitriding potential K N for the first step can be between 0.15 and 0.6.
  • the nitriding potential K N for the second step can be between 2 and 4.
  • the ratio of strong KN to weak KN can be greater than 10, 15 or 20.
  • low alloy steel is meant a steel for which no alloying element is present in a mass content greater than 5.00%.
  • each of the chemical elements other than iron is present in a mass content of less than or equal to 5.00%.
  • the method according to the invention is suitable for the treatment of nitriding steel parts.
  • nitriding steel parts are typically low alloy steels containing elements which allow the formation of nitrides, such as chromium, molybdenum, vanadium and aluminum.
  • the carbon content is preferably 0.15 to 0.9% m.
  • the part is made of nitrurable steel comprising 0.15 to 0.9% m of carbon and one or more alloying elements chosen from the list comprising: chromium, nickel, molybdenum, vanadium, aluminum, silicon and manganese.
  • the alloying elements are present in the following proportions: Chromium 1 to 4% m; Nickel 0.5 to 4% m; Molybdenum at 0.2 to 4% m; Vanadium 0.10 to 2% m; Aluminum 0.5 to 3% m; Silicon 0.4 to 1.5% m; and / or Manganese 1 to 2% m.
  • the present process has been particularly developed for CrMoV steel grades (also noted CDV), in particular 32CrMoV13.
  • the invention finds particular application for the treatment of parts in aeronautics and automobiles, of the toothing and pinion type, splines, raceways, rings and rolling elements of rolling bearings, among others, to enable them to withstand the mechanical stresses to which they are subjected, which have the particularity of being concentrated mainly on the surface (flexion fatigue, contact fatigue, fretting, wear, etc.).
  • FIG. 1 a graph representing the hardness profile (hardness - depth) for 4 samples A, B, C, D;
  • FIG. 2 a graph representing the number of cementite edges formed (number - depth) for the 4 samples;
  • FIG. 3 a graph representing Making cementite edges formed (area - depth) for the 4 samples;
  • FIG. 4 optical microscope images allowing comparison of the morphologies of the surface layers of a piece of steel subjected to a nitriding treatment according to the invention (D), a conventional treatment with high nitriding potential (A), and a treatment carried out with a nitriding potential slightly lower (B) or higher (C) than the limiting potential of formation of the combination layer.
  • a variant of the present process for hardening nitrurable steel parts will be described here, in relation to the application to low-alloy steels.
  • This is a process for hardening steel parts, using nitriding, which as is known consists of a surface treatment with the aim of increasing the surface hardness.
  • the parts treated according to the present process therefore typically have a nitrided surface layer, the hardness of which is greater than the core hardness.
  • the present process follows the traditional three-step process: initial hardening, tempering, nitriding treatment.
  • the steel part to be treated (or part of it) first undergoes an initial hardening treatment, by austenitization and quenching.
  • the part to be treated is brought to an austenitization temperature for a predetermined time, then undergoes quenching (controlled rapid cooling) to induce a martensitic type microstructure.
  • a tempering phase follows, in which the part is heated to a tempering temperature, generally greater than 600 ° C., for a predetermined time. This tempering phase allows a softening of the part (lowering of the hardness) and an adjustment of the tensile and resilience characteristics, characteristics controlled according to the targeted applications and compatible with the machining operations.
  • the processing of nitriding is carried out in order to increase the surface hardness of the steel part considered.
  • gas nitriding is conventionally carried out at temperatures between 480 and 550 ° C. by applying a nitriding potential KN greater than the limiting nitriding potential for the formation of the combination layer.
  • KN is generally ten times greater than the limit potential. This ensures the formation of a thick combination layer which prevents decarburization of the surface of the steel part and constitutes a reservoir of nitrogen atoms which will then diffuse to form the diffusion layer.
  • the absence of decarburization is accompanied by precipitation of carbon atoms at the grain boundaries in the form of cementite edges.
  • the method according to the invention implements nitriding under conditions initially allowing the absence of formation of the combination layer and then saturation of the surface layer with nitrogen atoms.
  • the principle of the technical solution therefore consists here in applying a nitriding treatment in two stages: the first stage is a nitriding carried out under conditions which do not lead to the formation of a combination layer, so as to promote surface decarburization. of the room.
  • the first step is carried out at low K N to reach the desired degree of decarburization.
  • this nitriding step can be carried out at temperatures between 480 and 580 ° C, the nitriding potential applied being between 0.2 and 0.6.
  • the second step is nitriding carried out under conditions in which the combination layer is formed, that is to say at high KN, and therefore to obtain saturation of the surface of the steel treated with nitrogen atoms.
  • the second step is carried out to achieve the desired degree of nitriding.
  • this nitriding step can be carried out at temperatures between 480 and 580 ° C, the nitriding potential applied being between 2 and 4.
  • the nitriding potential applied being between 2 and 4.
  • Such a modification of the range of the nitriding potential KN applied during the first step induces the following effects: the absence of formation of a combination layer allows decarburization of the surface layer of the steel part subjected to the treatment. the reduction in the quantity of cementite edges on the surface due to a lower content of carbides in the surface layer; the reduction in precipitation takes place without appreciable degradation of the hardness of the surface layer. the reduction in the amount of edging in the surface layer allows a healthier microstructure, with increased flexural fatigue and contact fatigue performance.
  • test pieces A, B, C and D thus obtained were then subjected to different nitriding treatments, in particular (A) according to the conventional nitriding process carried out at a nitriding potential well above the limit potential K NIP ⁇ for the formation of the combination layer, (B) according to a nitriding process carried out at a nitriding potential slightly higher than this limit potential K NIP ⁇ , (C) according to a nitriding process carried out at a nitriding potential lower than this limit potential K NIP ⁇ and ( D) according to a nitriding process in accordance with the process presented above of double nitriding.
  • These different treatments were carried out in a nitriding furnace at a temperature of 550 ° C. and are detailed in Table 1.
  • test piece D was treated in accordance with the present process, ie a two-step nitriding treatment.
  • the test piece was subjected to a first nitriding with a KN nitriding potential of 0.2 for 60 hours, then to a second nitriding with a KN nitriding potential of 3 for 60 hours.
  • the nitriding treatments were carried out in a horizontal gas nitriding furnace with forced convection.
  • the control of the nitriding atmosphere (ammonia + dissociated ammonia) is ensured via the regulation of the nitriding potential KN: the flow rates of ammonia and dissociated ammonia are adjusted according to the calculation of KN, based on a partial pressure measurement of dihydrogen.
  • the two stages of the nitriding treatment applied to the test piece D were carried out directly one after the other in the same nitriding furnace, the transition between the first and the second stage being made by changing the value. setpoint of the nitriding potential regulation system. Cooling is provided at the end of nitriding by nitrogen convection circulating in the furnace and cooled on an internal exchanger.
  • FIG. 1 shows microscopy images obtained with a x100 magnification of the surface of samples A, B, C and D. The Vickers imprints visible on these images show the depths of 100, 300 and 500 ⁇ m. Samples C and D show a sharp decrease in the number of intergranular cementite edges over the first 200 micrometers of thickness, unlike what is visible for samples A and B.
  • the combination layer is removed from the treated parts by machining (grinding).
  • the process according to the invention therefore makes it possible to achieve surface hardnesses similar to those obtained by the conventional process, while drastically reducing the precipitation of intergranular cementite.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un procédé de durcissement de pièces en acier nitrurable, dans lequel une pièce en acier nitrurable est soumise à un durcissement initial par austénitisation et trempe, suivi d'un revenu, puis d'un traitement de nitruration en deux étapes successives. La première étape est un traitement à faible potentiel de nitruration, KN, (inférieur au potentiel de nitruration pour lequel une couche de combinaison se forme à la surface de la pièce en acier) afin de décarburer en surface la pièce en acier. La seconde étape est un traitement à fort potentiel de nitruration, supérieur ou égal au potentiel de nitruration pour lequel une couche de combinaison se forme à la surface de la pièce en acier. Au cours de la seconde étape, la température est comprise entre 480 et 580°C. Le rapport entre le fort potentiel de nitruration et le faible potentiel de nitruration est supérieur à 10.

Description

Procédé de durcissement par nitruration Domaine technique
La présente invention concerne généralement le domaine du durcissement de pièces en acier et plus particulièrement celui de la nitruration. Etat de la technique
Les traitements de nitruration sont des traitements thermochimiques permettant l’introduction par diffusion d’azote au niveau de la surface des pièces pour réaliser un renforcement mécanique superficiel, en améliorant typiquement la dureté et la tenue en fatigue. Les traitements de nitruration sont conventionnellement réalisés sur des aciers alliés préalablement traités par austénitisation, trempe, et revenu à des températures supérieures à 600°C. Cela permet de réaliser ensuite une nitruration des aciers à une température inférieure (conventionnellement inférieure d’au moins 30°C) sans affecter l’état structural sous-jacent. Concrètement, dans les traitements de nitruration usuels, l’acier est nitruré à une température de l’ordre de 480°C à 550°C dans une atmosphère contenant de l’ammoniac, lequel cède de l’azote à la surface de l’acier. L’azote ainsi adsorbé provoque la formation, en surface, d’une couche appelée couche de combinaison et constituée de nitrures de fer, à partir de laquelle les atomes d’azote diffusent en direction du cœur de la pièce pour former la couche de diffusion. La cinétique d'adsorption de l'azote à la surface de l'acier, et l'épaisseur des couches de combinaison et de diffusion dépendent du potentiel de nitruration, noté KN, appliqué lors du traitement de nitruration.
Comme on le sait, la nitruration gazeuse des aciers faiblement alliés engendre une précipitation intergranulaire (PIG) de cémentite alliée suivant le mécanisme suivant : substitution des carbures par des nitrures ; diffusion du carbone qui se retrouve en solution solide ; précipitation aux joints de grains avec les éléments d’alliage principalement (Cr, Mo, V).
Cette précipitation apparaît sous forme de liserés de cémentite appelés généralement « cheveux d’anges », ou encore « seaguls » en anglais. 11 s’agit d’une phase fragilisante à la surface de la pièce, qui altère donc les propriétés mécaniques de la couche nitrurée. Pour cette raison, les critères de taille et forme des cheveux d’ange sont définis dans les spécifications de nitruration gazeuse.
11 serait souhaitable de disposer d’un procédé de nitruration permettant de diminuer la formation de cheveux d’ange, et ce sans modifier significativement la dureté superficielle des aciers ainsi traités.
Description générale de l’invention
Avec cet objectif en tête, la présente invention propose un procédé de durcissement par nitruration gazeuse selon la revendication 1. Dans le présent procédé de durcissement par nitruration gazeuse, une pièce en acier nitrurable, ou une partie de celle-ci, est soumise à un durcissement initial par austénitisation et trempe, suivi d’un revenu intermédiaire, puis d’un traitement de nitruration en deux étapes successives.
Le présent procédé est adapté à la nitruration des aciers dits nitrurables, donc des aciers alliés, et plus particulièrement des aciers faiblement alliés.
Selon l’invention, la première étape est un traitement à faible potentiel de nitruration, réalisé à un potentiel de nitruration KN inférieur au potentiel de nitruration KN pour lequel une couche de combinaison se forme à la surface de la pièce en acier. En opérant à un tel potentiel de nitruration la pièce à traiter se trouve dans des conditions faiblement nitrurantes et favorisant la décarburation. On peut ainsi parler de décarburation en conditions nitrurantes. Les conditions expérimentales mises en œuvre lors de la première étape sont telles qu'une nitruration de la surface est amorcée simultanément à la décarburation de celle-ci. La première étape est conduite jusqu’à atteindre le degré de décarburation souhaité.
La seconde étape est un traitement à fort potentiel de nitruration, réalisé à un potentiel de nitruration KN supérieur ou égal au potentiel de nitruration pour lequel une couche de combinaison se forme à la surface de la pièce en acier. La seconde étape est conduite jusqu’à atteindre la profondeur de nitruration souhaitée.
Conventionnellement, le potentiel de nitruration se définit de la manière suivante :
VNH 3
KN = 3/2
PH2 où PNH3 et PH2 représentent respectivement les pressions partielles en ammoniac et en dihydrogène appliquées au cours du traitement de nitruration. Plus le potentiel de nitruration KN est élevé et plus la quantité d'azote adsorbée à la surface de l'acier est importante, ce qui résulte en la formation d'une couche de combinaison épaisse. Au contraire, lorsque le potentiel de nitruration KN est trop faible, les nitrures de fer ne vont pas se former, ce qui résulte en l'absence de formation d'une couche de combinaison. 11 est alors possible de définir un potentiel de nitruration KN limite au-delà duquel la couche de combinaison se forme.
On notera que l'absence de formation d'une couche de combinaison permet de maximiser le gradient de potentiel carbone dirigé vers la surface ainsi qu'une évacuation vers l'atmosphère des atomes de carbone résultant de la substitution des carbures en nitrures ; c’est la décarburation. En l'absence de couche de combinaison, les atomes de carbone ne sont pas piégés aux joints de grains par précipitation sous la forme de cémentite intergranulaire.
La première étape du présent traitement de nitruration se déroule donc dans des conditions nitrurantes favorisant la décarburation, ce qui va à l’opposé des méthodes conventionnelles, qui préconisent au contraire un démarrage du traitement à un potentiel de nitruration à KN élevé pour favoriser la formation rapide d'une couche de combinaison qui pourra par la suite alimenter la couche de diffusion. En effet, pour l’homme du métier une décarburation (élimination des atomes de carbone libérés vers l'atmosphère) est conventionnellement associée à une fragilisation de la couche supérieure de l'acier et à une diminution de sa dureté, et doit donc être évitée.
La deuxième étape du traitement de nitruration du présent procédé s’opère à fort potentiel de nitruration, de manière à former une couche de combinaison. Cette étape permet de saturer en azote la couche superficielle de la pièce en acier traitée (ou la partie de la pièce en acier traitée) en vue de maximiser la dureté superficielle attendue suite à un traitement de nitruration. La couche de combinaison pourra être enlevée à la fin du traitement de nitruration, notamment par usinage/rectification.
Le traitement de nitruration objet de la seconde étape du traitement de nitruration du présent procédé correspond à ce qui se fait conventionnellement lors d'un durcissement d'acier par nitruration. Cependant, contrairement à ce qu'il se passe pour des aciers soumis à un traitement conventionnel, la diffusion des atomes d'azote au sein de la pièce en acier traitée par le procédé selon l'invention est facilitée par l'élimination préalable des atomes de carbone.
Des premiers essais ont permis de valider le principe du procédé selon l’invention. La couche de diffusion ainsi obtenue à la surface d'une pièce en acier traitée selon le procédé présente une dureté de surface du même ordre de grandeur que celle obtenue par un traitement conventionnel (dureté de surface qui est supérieure à la dureté à cœur). Mais la pièce contient moins de cémentite précipitée aux joints de grains du fait de l'élimination préalable des atomes de carbone.
On appréciera ainsi que la pièce traitée selon le procédé présente, en surface, une microstructure plus « saine », avec moins de précipitations intergranulaires, permettant des performances en fatigue flexion et fatigue de contact accrues. La microstructure de la couche de surface est donc généralement moins fragile.
Il a en outre été observé de manière surprenante que la réalisation de la décarburation en conditions nitrurantes, conformément à la première étape, n'entraîne pas de diminution significative des contraintes résiduelles au sein de l'acier traité, et donc pas d'augmentation de la fragilité de la pièce. Selon un mode de réalisation privilégié, la première étape du traitement de nitruration est réalisée en conditions nitrurantes non oxydantes afin de ne pas induire d'augmentation de la fragilité de la pièce en acier soumise au procédé selon l'invention. Les durées des première et deuxième étapes sont adaptées en fonction des besoins. Une augmentation de la durée de traitement entraîne, pour la première étape, une décarburation accrue et pour la deuxième étape une augmentation de la profondeur de nitruration.
Dans certaines variantes, les première et deuxième étapes peuvent avoir une durée sensiblement égale. De manière générale, des essais à différentes températures et différents potentiels nitrurants pour des compositions d’acier données permettent le calibrage du procédé.
Pour la première étape et/ou la deuxième étape du traitement de nitruration, les températures de travail sont généralement entre 480 et 580°C, de préférence entre 500 et 550°C. On peut notamment réaliser l’ensemble de la nitruration (les deux étapes) à une même température, dite température de nitruration.
Le traitement de nitruration est avantageusement réalisé dans un même four. Ainsi, les deux étapes y sont avantageusement enchaînées sans traitement ni manipulation intermédiaire de la pièce en acier à traiter. Cela est particulièrement avantageux sur le plan de la mise en œuvre. Ceci d’autant plus que pour les deux étapes, l’atmosphère de traitement comprend de l’ammoniac et de l’ammoniac dissocié (H2 etN2).
Le contrôle du potentiel nitrurant dans le four se fait en ajustant le débit d’alimentation en ammoniac en fonction de la concentration d’hydrogène mesurée au moyen d’une sonde.
Les potentiels de nitruration faible et fort sont déterminés pour une température donnée et un alliage donné. Cette détermination se fait expérimentalement et sur base du diagramme de Lehrer. Pour des aciers faiblement alliés, le potentiel de nitruration KN pour la première étape peut être compris entre 0,15 et 0,6. Le potentiel de nitruration KN pour la deuxième étape peut être compris entre 2 et 4. De manière générale, le rapport entre le KN fort et le KN faible peut être supérieur à 10, à 15 ou à 20.
Dans le présent texte, on entend par « acier faiblement allié » un acier pour lequel aucun élément d’alliage n’est présent en une teneur massique supérieure à 5,00 %. En d’autres termes, dans un acier faiblement allié, chacun des éléments chimiques autres que le fer est présent en une teneur massique inférieure ou égale à 5,00 %.
Le procédé selon l’invention est adapté pour le traitement des pièces en acier nitrurable. 11 s’agit typiquement d’aciers faiblement alliés contenant des éléments permettant la formation de nitrure, comme le chrome, le molybdène, le vanadium et l’aluminium. La teneur en carbone est préférablement de 0,15 à 0,9 %m.
En particulier, la pièce est en acier nitrurable comprenant de 0,15 à 0,9 %m de carbone et un ou plusieurs éléments d’alliage choisis parmi la liste comprenant : chrome, nickel, molybdène, vanadium, aluminium, silicium et manganèse. Par exemple, les éléments d’alliage sont présents dans les proportions suivantes : Chrome 1 à 4%m ; Nickel 0,5 à 4%m ; Molybdène à 0,2 à 4%m ; Vanadium 0,10 à 2 %m ; Aluminium 0,5 à 3%m ; Silicium 0,4 à l,5%m ; et/ou Manganèse 1 à 2%m.
Le présent procédé a été particulièrement développé pour les nuances d’acier CrMoV (aussi noté CDV), en particulier 32CrMoV13.
L’invention trouve particulièrement application pour le traitement de pièces en aéronautique et automobile, du type dentures et pignonnerie, cannelures, pistes bagues et éléments roulant de roulement, entre autres, pour leur permettre de résister aux sollicitations mécaniques auxquelles elles sont soumises, qui ont la particularité d’être concentrées essentiellement en surface (fatigue flexion, fatigue de contact, fretting, usure, ...).
Description détaillée à l’aide des figures
D’autres particularités et caractéristiques de l’invention ressortiront de la description détaillée d'au moins un mode de réalisation avantageux présenté ci- dessous, à titre d’illustration, en se référant aux dessins annexés. Ceux-ci montrent : [Fig. 1] un graphe représentant le profil de dureté (dureté - profondeur) pour 4 échantillons A, B, C, D ;
[Fig. 2] un graphe représentant le nombre de liserés de cémentite formés (nombre - profondeur) pour les 4 échantillons ; [Fig. 3] un graphe représentant Faire des liserés de cémentite formés (aire - profondeur) pour les 4 échantillons ; et
[Fig. 4] des images au microscope optique permettant la comparaison des morphologies des couches superficielles d'une pièce d'acier soumise à un traitement de nitruration selon l'invention (D), un traitement classique à haut potentiel nitrurant (A), et un traitement réalisé avec un potentiel de nitruration légèrement inférieur (B) ou supérieur (C) au potentiel limite de formation de la couche de combinaison.
On décrira ici une variante du présent procédé de durcissement de pièces en acier nitrurable, en relation avec l’application aux aciers faiblement alliés. 11 s’agit d’un procédé de durcissement de pièces en acier, utilisant la nitruration, qui comme on le sait consiste en un traitement de surface dans le but d’accroitre la dureté de surface. Les pièces traitées selon le présent procédé présentent donc typiquement une couche superficielle nitrurée dont la dureté est supérieure à la dureté à cœur.
Le présent procédé respecte le déroulé traditionnel en trois étapes : durcissement initial, revenu, traitement de nitruration.
Ainsi la pièce en acier à traiter (ou une partie de celle-ci) subit d’abord un traitement de durcissement initial, par austénitisation et trempe. La pièce à traiter est portée à une température d’austénitisation pendant une durée prédéterminée, puis subit une trempe (refroidissement rapide contrôlé) pour induire une microstructure de type martensitique. S’ensuit une phase de revenu, dans laquelle la pièce est chauffée à une température de revenu, généralement supérieure à 600°C, pendant une durée prédéterminée. Cette phase de revenu permet un adoucissement de la pièce (abaissement de la dureté) et un ajustement des caractéristiques de traction et de résilience, caractéristiques contrôlées en fonction des applications visées et compatibles avec les usinages. Enfin, le traitement de nitruration est effectué afin d'augmenter la dureté de surface de la pièce en acier considérée.
On rappelle ici que la nitruration gazeuse est classiquement effectuée à des températures comprises entre 480 et 550°C en appliquant un potentiel de nitruration KN supérieur au potentiel de nitruration limite de formation de la couche de combinaison. Ce potentiel KN est en règle générale dix fois supérieur au potentiel limite. Cela permet d'assurer la formation d'une couche de combinaison épaisse qui empêche une décarburation de la surface de la pièce en acier et constitue un réservoir d'atomes d'azote qui vont ensuite diffuser pour former la couche de diffusion. L'absence de décarburation s'accompagne d'une précipitation des atomes de carbone aux joints de grains sous forme de liserés de cémentite.
Contrairement au procédé classique, le procédé selon l’invention met en œuvre une nitruration dans des conditions permettant dans un premier temps l'absence de formation de la couche de combinaison puis la saturation de la couche superficielle par des atomes d'azote.
Le principe de la solution technique consiste donc ici à appliquer un traitement de nitruration en deux étapes : la première étape est une nitruration réalisée dans des conditions ne conduisant pas à la formation d'une couche de combinaison, de sorte à promouvoir la décarburation de surface de la pièce. La première étape est conduite à faible KN pour atteindre le degré de décarburation désiré. Pour des aciers faiblement alliés, cette étape de nitruration peut être réalisée à des températures comprises entre 480 et 580 °C, le potentiel de nitruration appliqué étant compris entre 0,2 et 0,6. la seconde étape est une nitruration réalisée dans des conditions dans lesquelles se forme la couche de combinaison, c’est-à-dire à fort KN, et donc obtenir la saturation de la surface de l'acier traité par des atomes d'azote. La seconde étape est conduite pour atteindre le degré de nitruration désiré. Pour les aciers faiblement alliés, cette étape de nitruration peut être réalisée à des températures comprises entre 480 et 580°C, le potentiel de nitruration appliqué étant compris entre 2 et 4. Une telle modification de gamme du potentiel de nitruration KN appliqué au cours de la première étape induit les effets suivants : l'absence de formation d'une couche de combinaison permet une décarburation de la couche superficielle de la pièce en acier soumise au traitement. la diminution de la quantité de liserés de cémentite en surface due à une moindre teneur en carbures de la couche superficielle la réduction de la précipitation se fait sans dégradation sensible de la dureté de la couche superficielle. la réduction de la quantité de liserés dans la couche superficielle permet une microstructure plus saine, avec des performances en fatigue flexion et fatigue de contact accrues.
Exemple :
Quatre mêmes éprouvettes référencées A, B, C et D en acier 32CrMoV13 ont d’abord subi un durcissement initial par traitement thermique en phase austénitique à 920 °CC pendant 1 à 2 heures, suivi d’une trempe à l’huile, avant d'être soumises à un revenu au-dessus de 600°C durant environ 2 heures.
Les éprouvettes A, B, C et D, ainsi obtenues ont ensuite été soumises à des traitements de nitruration différents, notamment (A) selon le procédé de nitruration conventionnel réalisé à un potentiel de nitruration bien supérieur au potentiel limite KNIPΏ de formation de la couche de combinaison, (B) selon un procédé de nitruration réalisé à un potentiel de nitruration légèrement supérieur à ce potentiel limite KNIPΏ, (C) selon un procédé de nitruration réalisé à un potentiel de nitruration inférieur à ce potentiel limite KNIPΏ et (D) selon un procédé de nitruration conforme au procédé présenté ci-avant de double nitruration. Ces différents traitements ont été effectués dans un four de nitruration à la température de 550°C et sont détaillés au Tableau 1.
A cette température, et pour l'acier ici considéré, l'acier 32CrMoV13, le potentiel de nitruration théorique limite KNIPΏ au-delà duquel une couche de combinaison se forme est d’environ 0,3. Ce potentiel de nitruration théorique limite a été déterminé expérimentalement et correspond à la transition de phases a/g' (formation de la couche de combinaison comprenant des nitrures de fer sous forme allotropique g' à partir des ferrites de forme allotropique a constituant la martensite obtenue après l’étape de revenu) pour cette composition d’acier et cette température, et en considération du diagramme de Lehrer. En théorie, en dessous de ce KN limite, aucune couche de combinaison ne doit se former. Dans le contexte de l’invention, l’absence de couche de combinaison n’est pas l’objectif, mais est en théorie l’indicateur d’une décarburation possible de la surface de la pièce. [Tableaux lj
On remarquera que seule l’éprouvette D a été traitée conformément au présent procédé, soit un traitement de nitruration en deux étapes. L’éprouvette a été soumise à une première nitruration avec un potentiel de nitruration KN de 0,2 durant 60 heures, puis à une seconde nitruration avec un potentiel de nitruration KN de 3 durant 60 heures.
Les traitements de nitruration ont été réalisés dans un four horizontal de nitruration gazeuse avec convection forcée. Le contrôle de l’atmosphère nitrurante (ammoniac + ammoniac dissocié) est assuré via la régulation du potentiel de nitruration KN : les débits d’ammoniac et d’ammoniac dissocié sont ajustés en fonction du calcul de KN, basé sur une mesure de pression partielle de di- hydrogène. Les deux étapes du traitement de nitruration appliqué à l'éprouvette D ont été réalisées directement à la suite l'une de l'autre dans le même four de nitruration, la transition entre la première et la seconde étape se faisant par changement de la valeur de consigne du système de régulation du potentiel de nitruration. Le refroidissement est assuré en fin de nitruration par une convection d’azote circulant dans le four et refroidi sur un échangeur interne.
Les duretés de surface obtenues à l’issue de la nitruration pour les quatre éprouvettes A, B, C et D, ainsi que le nombre de liserés de cémentite à 100 pm formés au cours du traitement de nitruration et l'aire de ces liserés de cémentite sont reportées au Tableau 2. Le nombre de liserés et les aires sont déterminés à fort grossissement par analyse d’image.
[Tableaux 2
Comme on peut le voir sur la figure 1, les profils de dureté sont semblables entre l’échantillon A et D. Les figures 2 et 3 indiquent une forte diminution du nombre de liserés de cémentite précipitées aux joints de grains ainsi que de l'aire de ces liserés de cémentite lorsque le traitement de nitruration a été réalisé pour tout (échantillon C) ou partie (échantillon D) à un potentiel de nitruration pour lequel la couche de combinaison ne se forme pas. La figure 4 présente des clichés de microscopie obtenus avec un grossissement xlOO de la surface des échantillons A, B, C et D. Les empreintes Vickers visibles sur ces clichés matérialisent les profondeurs 100, 300 et 500 pm. Les échantillons C et D présentent une forte diminution du nombre de liserés de cémentite intergranulaire sur les 200 premiers micromètres d'épaisseur, contrairement à ce qui est visible pour les échantillons A et B.
Sur la Fig. 4 on distingue facilement la couche de combinaison sur les échantillons A, B et D. On remarquera pour l’échantillon D que la surface de la pièce comprend, à l’extérieur, la couche de combinaison, puis la couche de diffusion. Les liserés sont supprimés sur une partie de l’épaisseur de la couche de diffusion.
En pratique, la couche de combinaison est éliminée des pièces traitées par usinage (rectification). Le procédé selon l’invention permet donc d’atteindre des duretés de surface similaires à celles obtenues par le procédé conventionnel, tout en diminuant drastiquement la précipitation de cémentite intergranulaire.

Claims

Revendications
1. Procédé de durcissement de pièces en acier nitrurable, dans lequel une pièce en acier nitrurable, ou une partie de celle-ci, est soumise à un durcissement initial par austénitisation et trempe, suivi d'un revenu, puis d'un traitement de nitruration gazeuse, la pièce est en acier nitrurable comprenant de 0,15 à 0,9 %m de carbone et un ou plusieurs éléments d’alliage choisis parmi la liste comprenant : chrome, nickel, molybdène, vanadium, aluminium, silicium et manganèse ; caractérisé en ce que le traitement de nitruration se fait en deux étapes successives : - la première étape est un traitement dit à faible potentiel de nitruration, réalisé à un potentiel de nitruration inférieur au potentiel de nitruration pour lequel une couche de combinaison se forme à la surface de la pièce en acier afin de décarburer en surface la pièce en acier, respectivement une partie de celle-ci ; - la seconde étape est un traitement dit à fort potentiel de nitruration, réalisé à une température comprise entre 480 et 580°C et à un potentiel de nitruration supérieur ou égal au potentiel de nitruration pour lequel une couche de combinaison se forme à la surface de la pièce en acier dans lequel le rapport entre le fort potentiel de nitruration et le faible potentiel de nitruration est supérieur à 10.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la première étape du traitement de nitruration est réalisée en conditions non oxydantes.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les deux étapes du traitement de nitruration ont lieu dans un même four.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les deux étapes du traitement de nitruration sont réalisées à la suite l'une de l'autre sans traitement ni manipulation intermédiaire de la pièce en acier soumise audit traitement de nitruration.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la température de la première étape du traitement de nitruration est comprise entre 480 et 580°C.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les deux étapes du traitement de nitruration sont réalisées à la même température.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport entre le fort potentiel de nitruration et le faible potentiel de nitruration est supérieur à 15 ou à 20.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le potentiel de nitruration de la première étape du traitement de nitruration est compris entre 0,15 et 0,6.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le potentiel de nitruration de la seconde étape du traitement de nitruration est compris entre 2 et 4.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce est en acier type CrMoV, en particulier 32CrMoV13.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel un ou plusieurs desdits éléments d’alliage sont présents dans les proportions suivantes : Chrome 1 à 4%m ; Nickel 0,5 à 4%m ; Molybdène à 0,2 à 4%m ; Vanadium 0,10 à 2 %m ; Aluminium 0,5 à 3%m ; Silicium 0,4 à l,5%m ; et/ou Manganèse 1 à 2%m.
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