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CA 02540625 2006-03-29
WO 2005/038083 PCT/FR2004/050487
PROCEDE DE TRAITEMENT PAR SULFURATION DE
PIECES EN ALLIAGE FERREUX.
L'invention concerne un procédé de traitement des surfaces
métalliques et plus généralement les surfaces des piéces en alliages ferreux
dans le but d'améliorer leur propriété de résistance au grippage.
De tels traitements sont parfaitement connus par l'homme du métier
et très utilisés dans la conception d'organes mécaniques, par exemple
lorsque des pièces doivent frotter entre elles dans des conditions sévères de
charge et de pression. Ces traitements peuvent également s'appliquer, ou
étre appliqués, aussi bien dans des cas de lubrification (à l'huile, à la
graisse, ...) que dans des cas d'absence de telle lubrification.
I5 Différents procédés ont été proposés pour former à la surface des
piéces en alliage ferreux, des composés aptes à améliorer les interactions
avec l'environnement.
Parmi les différents procédés de traitement connus, on peut citer les
procédés d'oxydation superficielle qui permettent d'améliorer la résistance
à la corrosion. On connaît également les procédés de phosphatation d'outils
qui, par la création d'une couche superficielle de phosphate de fer,
permettent d'améliorer, dans des proportions notables, les effets de la
lubrification.
Enfin, on connaît des procédés de traitement de sulfuration.
L'invention concerne plus particulièrement ce dernier type de
traitement.
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La sulfuration des aciers et les effets sur la lubrification d'une
couche superficielle de sulfure de fer sont parfaitement connus de l'homme
du métier et ressortent, par exemple, de l'enseignement des brevets FR 1
406 530 et FR 2 823 227.
Selon l'enseignement du brevet FR 1 406 530, les pièces métalliques
traïtées sont immergées dans un bain de sel fondu ionisé. Cette sulfüration
électrolytique en sels fondus peut constituer une menace pour
l'environnement.
Selon l'enseignement de la demande de brevet FR 2 823 227, on
dépose, sur la pièce à traiter, un revêtement de sulfure de fer ayant une
épaisseur et un rapport Fe/S appropriés, le revétement étant sélectionné
parmi ceux dont 1a surface a une dimension fractale au moins égale à 2,6.
Là encore, ce procédé met en oeuvre une sulfuration électrolytique qui peut
entraîner des contraintes techniques limitant sa productivité. On observe par
ailleurs que les sels utilisés sont des produits onéreux.
Une autre solution ressort de l'enseignement du brevet US 6 139 973
qui concerne un procédé permettant de déposer du sulfure de fer par
électrolyse cathodique d'une solution aqueuse. Parmi les inconvénients,
outre les limitations inhérentes au procédé électrolytique concernant la
forme des pièces à traiter, il apparaît que 1a couche de FeS n'est pas obtenue
par réaction chimique, mais déposée sur la surface de l'acier, ce qui pose
de réels problèmes d'adhérence.
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Le problème que se propose de résoudre l'invention est d'avoir une
toxicité réduite, d'une part, et de ne pas utiliser d'électrolyse, d'autre
part,
de sorte que l'énergie nécessaire est limitée au maintien à une température
déterminée de la solution aqueuse.
On observe également que l'absence de passage de courant permet
de maitriser, avec une grande précision et une grande reproductibilité, la
composition, l'épaisseur et la continuité des couches superficielles et
permet de traiter également des pièces de formes complexes, y compris
celles présentant des cavités (alésage, trous borgnes, engrenages, ...).
Pour résoudre un tel problème, il a été congu et mis au point un
procédé de traitement par sulfuration de pièces en alliage ferreux, selon
lequel on immerge les pièces dans un bain d'une solution aqueuse, sans
passage d'un courant électrique, portée à une température comprise entre
environ 100°C et 140°C et pendant une durée comprise entre 5 et
30 mn
environ. Le bain de solution aqueuse présente des concentrations de soude
de thiosulfate de sodium. et de sulfure de sodium. . ..
La soude joue le rôle d'agent corrosif vis-à-vis des pièces en alliage
ferreux et permet la libération d'ions Fez+ et Fe3+ nécessaires à la
précipitation d'une couche de sulfure de fer sur les pièces. La composante
soufrée du thiosulfate permet également la précipitation de cette couche de
sulfure de fer. Enfin, le sulfure de fer est également un agent important dans
le procédé de sulfuration.
Avantageusement, le pouvoir sulfurant du bain nécessite la présence
de soude à des concentrations comprises entre 400 et 1000 g/1, de
thiosulfate de sodium à des concentrations comprises entre 30 et 300g/1 et
de sulfure de sodium à des concentrations comprises entre 60 et 120 g/1.
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Avantageusement, la température de travail du bain est comprise
entre environ 120°C et 140°C. Pour une question de
simplification, iI est
possible de travailler au point d'ébullition qui dépend de la composition de
la solution aqueuse.
La résistance au grippage résultant du procédé de traitement selon
l'invention, est évaluée selon le test sur machine Faville Levally selon la
norme ASTM-D-2170.
D'une manière parfaitement connue pour un homme du métier, ce
test consiste à traiter une éprouvette cylindrique de diamètre 6,35 mm et de
hauteur de 50 mm en acier 1 bNC6 cémentée trempée et rectifiée.
L'éprouvette est serrée entre deux mors taillés en V à 90° sur
lesquels on
IS applique une charge croissant linéairement en fonction du temps. L'essai
est
arrêté lorsqu'il y a grippage ou fluage de l'éprouvette. Ce test est
caractérisé
par une grandeur appelée note Faville qui est l'intëgrale de la charge,.
appliquée par rapport au temps, cette note étant exprimée en daN.s. A cet
égard, il est apparu que, lorsque l'éprouvette est traitée selon le procédé
conforme à l'invention, la note Faville doit être supérieure à 12 000 daN.s.
et l'éprouvette doit avoir fluée et non grippée.
On renvoie ci-après aux exemples donnés à titre indicatif nullement
limitatif, et qui montrent les résultats obtenus avec les caractéristiques du
procédé selon l'invenüon, en comparaison des traitements selon l'état
antérieur de la technique.
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Exemple 1
Selon cet exemple, on compare la note Faville d'éprouvettes en acier
16NC6 cémentées trempées, dans Ie cas d'une éprouvette non traitée (1),
d'une éprouvette phosphatée (2), d'une éprouvette oxydée (3), d'une
5 éprouvette conforme au procédé de l'invention (4). On renvoie au tableau
ci-dessous
1 2 3 4
EprouvetteEprouvette Eprouvette Eprouvette
non traitephosphate oxyde sulfure
Note Faville
daN.s 5000 5500 5300 15000
Arrt de grippage grippage grippage Fluage
l'essai
L'éprouvette traitée selon l'invention est trempée dans une solution
aqueuse contenant, au montage du bain, 775 g/1 de soude, 200g/1 de
thiosulfate de sodium et 90g/1 de sulfure de sodium. Le traitement est réalisé
à 130°C pendant 15 minutes.
Il ressort de ce test que les solutions 1, 2 et 3 ne confèrent à la pièce
aucune propriété antigrippante alors que la solution 4, conforme à
l'invention, est caractérisée par un effet antigrippant élevé étant donné que
la note Faville est multipliée par 3.
Exemple 2
Dans cet exemple, on compare 1a note Faville d'éprouvettes en acier
16NC6 cémentées trempées, sulfurées par le procédé conforme à l'invention
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(1) et par le procédé électrolytique, comme i1 ressort de l'enseignement du
brevet FR 2.823.227. On renvoie au tableau ci-aprés
1 2
prouvette sulfure prouvette sulfure
suivant l'inventionconformment
FR 2.823.227
Note Faville
daN.s 15000 11000
Arrt de l'essaifluage Fluage
L'éprouvette conforme à l'invention est traitée dans une solution
aqueuse contenant au montage du bain 775 g/I de soude, 200 g/1 de
thiosulfate de sodium et 90g/1 de sulfure de sodium.
Le traitement a été réalisé à 130°C pendant 15 minutes.
n ressort de ces tests que les solutions I et 2 ont des propriétés
antigrippantes et que l'éprouvette sulfurée selon le procédé de l'invention
(1) présente un comportement plus performant de 36 %.
Exemple 3
Dans cet exemple, toutes les éprouvettes sont traitées en solution
aqueuse en faisant varier la température, les concentrations initiales en
soude (NaOI~, en thiosulfate de sodium (Na2S203), en sulfure de sodium
(NaaS).
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On renvoie au tableau ci-après.
Solution 1 ~ 2 3 ' ~ 4 5 6
~
Temprature I30 130 130 80 130 I30
(g/1)
NaOH (g/1) 775 775 1000 775 550 275
NaaSz03 (~) 200 0 200 200 200 200
Na2S (g/1) 90 90 0 90 120 90
Note Faville
~~s 15000 5300 8300 6000 14000 8500
Arrt de
l'essai fhiage grippagegrippagegrippagefluagegrippage
Il ressort de ce tableau que
- La solution 1 est conforme aux caractéristiques souhaitées compte tenu
des conditions d'élaboration et de la note du test Faville.
- Les solutions 2 et 3 ne sont pas conformes, en considérant leurs
concentrations initiales en thiosulfate de sodium et en sulfure de
sodium. Ces deux exemples illustrent l'effet synergique des thiosulfates
et sulfures pour le traitement d'aciers.
- La solution 4, qui est similaire â Ia solution I en ce qui concerne la
composition de la solution aqueuse, n'est pas conforme du fait de la
température de traitement qui est trop basse pour que les réactions sur
l'éprouvette puissent avoir lieu de façon efficace et apporter une
résistance au grippage.
- La solution 5 donne un résultat conforme en terme antigrippage, malgré
une composition du bain différente de celle de la solution 1.
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- La solution 6 ne conduit pas à une réponse en antigrippage satisfaisante
compte tenu d'une concentration trop faible en soude.
Selon les caractéristiques de l'invention, on observe que les pièces,
traitées selon le procédé revendiqué, présentent de l'oxygène dans les
différentes couches.
Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on
souligne et on rappelle
- le respect de l'environnement ;
- la maîtrise avec une grande précision et une grande reproductibilité, de
la composition, de l'épaisseur et de la continuité des couches
superficielles ;
- l'absence de passage du courant permettant, notamment, de traiter des
pièces de formes complexes y compris celles présentant des cavités.
