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La présente invention a pour objet un procédé de
traitement thermique de pièces métalliques, notamment de pièces
en acier, par carburation.
On sait que l'utilisation d'atmosphères d'enrichisse-
ment en carbone pour le traitement thermique des aciers à des
températures de 1050~C à 800~C, permet d'augmenter la teneur en
carbone sur une certaine épaisseur à la surface des pièces et
ainsi d'en augmenter la dureté et la résistance à l'usure.
Les atmosphères utilisées généralement contiennent
environ 20 % CO, 40 % H2, 40 % N2, et de très faibles quantités
d'anhydride carbonique et de vapeur d'eau. Ces atmosphères
sont obtenues, soit à partir de générateurs dits endothermiques,
soit synthétiquement à partir de mélange gaz-gaz ou gaz-alcool,
le plus courant de ces mélanges synthétiques est l'azote-
méthanol : en efEet, aux températures de traitement utilisées,
le méthanol se d~compose selon la réaction CH30H )CO + 2H2
et on peut obtenir un mélange gazeux ayant la composition
donnée ci-dessus.
Le processus de carburation s'effectue de la fa~on
suivante: l'oxyde de carbone présent dans l'atmosphère de
traitement r~agit selon la relation : 2CO~=~ C02 + C (1) et
il y a alors transfert des atome~ de carbone vers le métal.
L'hydrogène présent dan~ l'atmosphère participe ~galement à la
carburation du point de vue de la rapidité du processus car il
r~agit avec l'oxyde de carbone selon la réaction:
CO ~ H2~=~ C + H20 (2)~
Certains des traitements de carburation mis en oeuvre
jusqu'à présent, en particulier les traitements effectu~s dans
des fours à plusieurs zones, comprennent deux phases successives:
une première phase dite de "c~mentation" suivie d'une deuxième
~ h,
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phase dite de "diffusion". De fa~on plus précise, de tels
traitements consistent à soumettre la pièce à traiter dans la
zone de cémentation, à une température de 900 à 940~C, à une
atmosphère d'enrichissement en carbone ayant un potentiel
carbone de 0,9 % à 1,2 % en poids pendant un certain temps,
puis on place la pièce dans la zone de diffusion où on laisse
le processus suivre son cours : la température décroît peu à
peu jusqu'à 880~C à 800~C et le potentiel carbone de l'at-
mosphère diminue jusqu'à une valeur de 0,7 % à 0,9 % en poids.
On refroidit ensuite la pièce ainsi traitée par trempe en
phase gazeuse ou liquide, par exemple dans un bain d'huile.
La baisse de température obtenue lors de laphase de diffusion
minimise les problèmes de déformation lors de la trempe.
Le~ difficultés qui se présentent lors de tels
traitements sont que, d'une part on a intérêt, en début de
procédé, à obtenir un potentiel carbone élevé de façon à
augmenter l'apport de carbone mais, toutefois, ce potentiel
carbone ne doit pas dépasser une valeur limite sinon il se
forme des dépôts de suie sur la pièce : cette valeur limite,
de 1 ~/O à 1,6 %, est fonction de la température utilisée,
d'autre part, on a int~rêt en fin de traitement à avoir un
potentiel carbone en surface sinon, lors de la trempe ulté-
rieure, les propri~t~s métallurgiques de la pièce ne sont pas
satisfaisantes car il y a alors pr~sence d'une phase d'aust~-
nite résiduelle et donc une mauvaise dureté en surface du
produit traité. Comme on le voit, lors des traitements de
carburation, il se pose le problème de l'obtention et du
contrôle d'un potentiel carbone bien déterminé au cours de
chacune des deux phases du traitement.
Selon les proc~dé4 utilis~s jusqu'à pr~sent, pour
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obtenir le potentiel carbonQ désiré au cours de chacune
desdites phases, on injecte dans le four, en plus du mélange
destiné à former les espèces C~, H2, N2, un hydrocarbure tel
que du méthane, du propane, ou du butane dans chacune desdites
zones et on règle le débit de cet hydrocarbure en fonction de
la teneur en CO2 de l'atmosphère, En effet, étant donné, d'une
part la réaction de consommation du CO par la pièce à traiter
(voir équation (1)), d'autre part les entrées d'air dans
l'enceinte de traitement, la concentration en C02 de
l'atmosphère a tendance à augmentsr et donc le potentiel
carbone à décroître. C'est pourquoi, on surveille la teneur
en C02 de l'atmosphère et on règle en conséquence le débit
d'injection de l'hydrocarbure en fonction du potentiel carbone
recherché. Cette régulation peut ~galement B I effectuer en
surveillant la teneur en H2O ou en ~2 de l'atmosphère.
Depuis le développement des atmosph~res synthétiques,
notamment ~ base d'azote et de méthanol, on cherche à augmenter
les teneurs en CO et H2 des atmosphères de traitement. A ce
sujet, on peut citer plus particulièrement le procédé décrit
dans le brevet am~ricain No 4.306.918 ~mis le 22 d~cembre lg81,
inventeurs Jelle ~ Ka~per~ma et Robert J. Peartree, cession-
naire Air Products and Chemicals, Inc. Ce proc~dé consiste,
dans une première phase, à envoyer du méthanol pur dans le four
de traitement et ~ maintenir les pièces dan~ une atmosphère
ayant un potentiel carbone de 0,8 % à 1,1 %, puis, dans une
deuxième phase, à injecter de 1'azote (g~néralement plus
économique que le méthanol) dans le four afin que le traitement
soit moins onéreux et à maintenir les pièces dans une
atmosphere ayant un potentiel carbone de 0,7 % à 0,9 %.
Ce procédé permet d'obtenir des profondeurs carburées
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importantes assez rapidement grâce à l'augmentation des
espèces carburantes telles que CO et H2 lors de la premièrQ
phase. On remarque que, selon le procédé de ce brevet amé-
ricain ~o 4.306.918, les gammes de potentiel carbone des
atmosphères utilisées sont des gammes de potentiel carbone
classiques, soit de 0,7 % ~ 1,1 % et en tout étant de cause
inférieures a 1,1 %, et que l'écart de potentiel carbone
entre les deux phases est faible (O,2 %).
L'invention a pour objet un procédé de traitement
thermique de pièces m~talliques par carburation qui permet
d'obtenir un durcissement superficiel et une profondeur
carburée des pièces traitées satisfaisants avec un temps
de traitement p].us court.
Le procédé conforme à l'invention consiste à placer
les pièces à traiter dans un four et à les maintenir, dans une
atmosphère d'enrichissement en carbone comprenant notamment de
l'oxyde de carbone, de l'hydrogène et de l'azote, ledit traite-
ment comprenant une première phase effectuée à une température
de 850~C à 1050~C suivie d'une deuxième phase effectuée à
une température de 700~C ~ 950~C (de préférence 800~C à 950~.C).
Il se caractérise cn ce que, lors de la première phase, on
utilise une atmosp~ère contenant environ 20 % à 50 % en volume
de CO et environ 40 % à 75 % en volume de H2 et ayant un
potentiel carbone ~lev~ tr~s proche de la valeur limite con-
duisant à des dépôts de suie, soit un potentiel carbone
d'environ 1,1 % à 1,6 % en poids, et, lors de la deuxième
phase, pour avoir un potentiel carbone sensiblement plus
faible que celui de la première phase, on provoque un
accroîssement de 2 à 30 fois de la teneur en azote de ladite
atmosphère de façon à ce que la différence de potentiel
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carbone entre chacune desdites phases soit d'au moins environ
0,5 % en poids.
Selon une caractéristique de l'invention, au cours
de la première phase, la concentration de l'azote dans ladite
atmosphère est environ d'au plus 4~/O en volume, et au cours
de la deuxième phase, ladite concentration est d'environ 30 %
à 80 % en volume.
Comme on le comprend, pour améliorer la producti-
vité des traitements de carburation, le demandeur a cherché
à augmenter le potentiel carbone lors de la première phase
pour accélérer l'enrichissement en carbone de la pièce.
Mais, pour obtenir de bonnes propriétés métallur-
giques, il est nécessaire de diminuer le pourcentage carbone
près de la surface. Pour cela, on doit, lors de la deuxième
phase, diminuer de façon très importante le potentiel carbone
de l'atmosphère. Or, il est difficile de faire varier de fa~on
aussi importante et aussi brutalement le potentiel carbone par
les moyen~ classiques utilisés, tels que le réglage du débit
d'injection d'un hydrocarbure dans le four, et celà d'autant
plus dans le cas d'une atmosphère très riche en CO et H2.
Compte tenu de ces observations, le demandeur a
imaginé d'abaisser le potentiel carbone, au cours de la
deuxième phase, en diluant l'atmosphère par un gaz inerte
tel que l'azote.
En effet, comme on le voit d'après l'~quation (1),
le potentiel décroit avec le rapport (PCO)
PC02
En diluant l'atmosphère par de l'azote, on diminue les
pressions partielles de CO et C02 dans les mêmes proportions,
par contre, le rapport (PCO) décroît et donc le potentiel
PC02
carbone décroit.
1~0~3S~3
Dans les dessins qui illustrent l'invention
la figure 1 représente deux courbes donnant le
potentiel carbone en fonction du temps,
la figure 2 est une représentation schématique
d'un four de type "batch" pour la mise en oeuvre du procédé
selon l'invention, et
la figure 3 est une représentation schématique d'un
four de type continu pour la mise en oeuvre du procédé selon
l'invention.
La figure 1, jointe, représente l'évolution théori~ue
du potentiel carbone dans un four à température constante (sans
tenir compte de l'influence de l'étanchéité du four et de la
nature de sa paroi interne), 50US une atmosphère initiale à
base de C0, H2 et ~2~ lorsqu'on injecte dans ce four de forts
débits d'azote. Sur cette figure, on a représenté deux courbes
(I) et (II), donnant le potentiel carbone en fonction du temps
pour re~pectivement, un rapport V = 5 et DV = 10, D étant le
débit d'azote injecté dans le four en m3/h et V le volume du
four en m3. Ces courbes montrent qu'effectivement une dilution
de l'atmo~phère de traitement par de l'azote lors de la pha~e
de dirfusion, telle que mise au point par le demandeur, permet
d'obtenir une diminution très rapide du potentiel carbone.
Ainsi, ~râce au procédé conforme à l'invention, on
peut utiliser une atmosph~re ~ potentiel carbone ~lev~ au
cours de la premi~re phase, même en utilisant une atmosphère
riche en espèces carburantes, et diminuer suffisamment le
potentiel carbone au cours de la deuxième phase.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention,
on forme l'atmosphère de traitement par introduction dans le
four d'un mélange d'azote et de méthanol (le m~thanol étant
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l~V8S~8
pulvérisé par le courant d'azote gazeux) dans des proportions
telles qu'on obtienne les poucentages désirés de C0 et H2.
Selon l'invention, l'atmosphère de traitement peut également
être formée par introduction dans le four d'un gaz endo-
thermique~
Suivant une variante de réalisation, on introduit
également un hydrocarbure gazeux tel que du méthane, du
propane, ou du butane en faible pourcentage (de 0,5 % à 5 %)
par rapport à la totalité du mélange introduit.
La mise en oeuvre du procedé peut s'effectuer de
deux fac,ons dif~érentes:
- soit on mesure au fur et à mesure du traitement,
c'est-à-dire de l'injection dans le four du mélange azote-
méthanol et de l'hydrocarbure, les concentrations en C0 et
C~2 ou C0 et ~2' ou C0 et H20, ou C02 et ~2' de l'atmosphère
forrnée, ainsi qu'éventuellement la température, ce qui permet
d'en déduire le potentiel carbone, et on fait vari0r le d~.bit
d'azote injecté dans le four de fa~con à obtenir les valeurs de
potentiel carbone désirée~ pour chacune des deux phasesi
- 30it on d~termine tout d'abord lors d'essais
pr~lim.inaires, compte tenu de l'acier à traiter, des dimensions
du four, etc..., les valeurs de la concentration en azote que
doit avoir l'atmosphère pour obtenir les valeurs de potentiel
carbone d~ir~es pour chacune des phases: puis on effectue le
traitement proprement dit en injectant le mélange d'azote et de
méthanol au cours de chacune des deux phases en proportions
telles qu'on obtienne les concentrations en azote ainsi fixées
et on ajuste le potentiel carbone en réglant le débit de
l'hydrocarbure injecté dans le four.
Selon une caractéri~ti~ue de l'invention, on peut
lZ085213
injecter, en outre dans le four, de l'ammoniac gazeux dans
une proportion de 0,1 % à lO % en volume par rapport à la
totalité du mélange gazeux introduit, il y a alors carbo-
nitruration. Cette variante de réalisation permet d'obtenir
un durcissement superficiel supplémentaire des pièces traitées.
On choisit la quantité d'ammoniac introduit dans le four en
fonction de l'acier traité et du degré de nitruration désiré.
On donne, ci-dessous, à titre non limitatif, deux
exemples de réalisation du procédé de l'invention qui feront
mieux apparaitre les caractéristiques et avantages de l'in-
vention.
EXEMPLE 1
On effectue un traitement conforme à l'invention
sur des pièces en acier de nuance 18CD4 dans un four de type
"batch" représenté schématiquement sur la figure 2 jointe.
Ce four l est constitu~ d'une enceinte métallique
revêtue intérieuremsnt d'un garnissage réfractaire. Il
comporte une zone de traitement 2 munie d'une porte de charge-
ment 3 des pièces à traiter et un sas 4 muni d'un bac 5 de
trempe à l'huile et d'une porte de sortie 6 des pièces traitées.
La zone de traite~nent 2 et le sas 4 sont s~par~s par une
porte intérieure 7. Les pi~ces à traiter sont placées dans
un panier 8 reposant sur le fond de la zone de traitement 2.
Une turbine 9, dont la fonction est de brasser en permanence
l'atmosphère du four, est placée ~ distance au-dessus du
panier 8. Des réservoirs d'azote, de méthanol et de m~thane,
syrnbolisés respectivement en lO, ll et 12~ sont reliés par
l'intermédiaire de conduits 13, 14 et 15, munis de vannes 16,
17 et 18, à une conduite 19 qui debouche dans la partie
sup~rieure de la zone de traitement 2. L'~vacuation du
~2~3852~
mélange gazeux de traitement s'e~fectue par brûlage d'une
torchère 20.
On chauffe le four à une température de 920~C puis
on y introduit un mélange azote-méthanol en proportions telles
que l'atmosphère formée dans le four contienne en esp~ces
principales environ 10 % ~2' 30 % C0 et 60 % H2. Au bout d'~n
certain temps, on place les pièces à traiter dans la zone de
traitement 2, on attend que la température remonte à 920~C et
que le potentiel carbone de l'atmosphère atteigne 1,3 % et on
maintient les pièces dans cette atmosphère pendant 2 heures
25 mn. Pendant cette phase, le taux de CO~ dans llatmosphère
est de 0,20 %.
On effectue alors la deuxième phase à 860~C, en
augmentant la quantit~ d'azote injecté dans la zone de traite-
ment 2 de façon telle que l'atmosphère formée dans llenceinte
contienne en espèces principales environ 70 % N2, 10 % CO et
20 % ~2 et que le potentiel carbone soit de 0,7 %, et on
maintient les pièces dans cette atmosphère pendant 45 mn.
Pendant cette phase, le taux de CO2 dans llatmosphere est de
0,0g5 %.
Au cours des deux pha~es, on injecte dans la zone 2
du ~our un faible pourcentage de rn~thane (0,5 3 5 % par rapport
à la ~uantité totale du mélange gazeux introduit) et on r~gle
le d~bit dlinjection dudit m~thane pour ajuster le potentiel
carbone ~ la valeur pr~vue.
La variation importante de potentiel carbone entre
les deux phases a pu être obtenue sans difficult~ grace à
l'effet de dilution par l'azote, les variations de taux de CO2
nécessaires pour obtenir les potentiels carbone désirés
évoluant en effet logiquement dans le sens de la dilution.
_ 9 ,
~Z08528
Après trempe des pièces ainsi traitées dans le bac
d'huile 5, on effectue les mesures de dureté de la couche
carburée. Les résultats obtenus sont les suivants.
Dureté Vickers en surface : 890 HV
Profondeur pour laquelle on a une durete Vickers de
550 HV: O,86 mm.
TR~ITEMENT COMPARATIF A L ' EXEMPLE
A titre de comparaison, on effectue un traitement à
l'aide d'une atmosphère riche en espèces carburantes ayant
exactement la même composition que celle de la première phase
du traitement selon l'invention décrit dans l'exemple 1 ci-
des~us, mais sans modifier l'injection d'azote lors de la
deuxième pha~e, c'est-à-dire à atmosphère constante, ce
traitement comparatif est effe~ctué dan~ le même four et sur
des pièce~ en acier 18CD4 identiques à celles de l'exemple 1.
La première phase ~'effectue donc à une température de 920~C
avec une atmosphère dont la concentration en espèces princi-
pales est de 10 % N2, 30 % CO et 60 ~/~ H2, et avec injection
d'une faible quantité de méthane et réglage du débit d'injec-
tion dudit méthane pour ajuster la valeur du potentiel carbone~ 1 ~/0, le taux de C02 dans l'atmosphère est de 0,28 % , on
maintlent le~ p.ièces dan~ cette atmo3phère pendant trois heures.
On effectue alors la deuxi.ème phase à 860~C, avec la m~me
atmo~ph~re quc pr~c~demment, pendant 1 heure, en ajustant le
potentiel carbone a 0,8 ~/~, le taux de C02 dans l'atmosphère
est de 0,72 %.
Selon ce traitement, on ne peut utiliser, lors de
la première phase, une atmosphère à potentiel carbonç de plus
de 1 % , en effet, comme on effectue les deux phases à
atmosphère constante, on ne pourrait pas obtenir une au~nen-
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~Z08S2~3
tation du taux de C02 suffisante pour provoquer la diminutionde potentiel carbone, lors de la deuxième phase, n~cessaire
pour obtenir de bonnes propriétés métallurgiques en surface.
Après trempe des pièces ainsi traitées dans le bain
d'huile, on mesure la dureté de la couche carburée. Les
résultats obtenus sont les suivants:
Dureté Vickers en surface : 887 HV
Profondeur à laquelle on a une durete ~ickers de
550 HV : O,85 mm.
On voit donc que, grâce au proc~de de l'invention, le fait de
diluer l'atmosphère, lors de la phase de diffusion, avec de
l'azote permet d'obtenir des résultats, en ce qui concerne
les propriétés de la couche carbur~e, analogues à ceux obtenu~
avec une atrnosphère de composition constante, riche en espèces
carburantes, mais que, par contre, on obtient un gain de 20 %
sur la durée globale du traitement.
EXEMPLE 2
On effectue un traitement conforme ~ l'invention sur
des pièce en acier de nuance 18CD2, dans un four continu
poussant, représent~ sch~matiquement sur la figure 3 jointe.
Ce four 21 comporte un sas d'entrée 22 muni d'une
porte de chargement 23 des pièces ~ traiter, une zone de c~men-
tation 24, une zone de diffusion 25, et un ~las de sortie 26
muni d'une porte de sortie 27 des pièces traitées. Le sas
d'entr~e 22, la zone de cémentation 24, la zone de diffusion
25 et le sas de sortie 26 sont s~parés les uns des autres par
des portes intérieures 28. Les pièces à traiter sont disposées
dans des paniers 29 qui se déplacent sur le fond du four 21.
La zone de cémentation 24 comporte deux parties A et B :
dans la partie A ~'effectue la mise en température des pièces
lZOE~S2~
à traiter, et dans la partie B la cémentation proprement dite.
Des turbines 30, dont la foncti~n est de brasser en permanence
l'atmosphère du four, sont placées à distance au-dessus des
paniers 29, dans la partie B de la zone de cémentation 24 et
dans la zone de diffusion 25. Des réservoirs d'azote, de
méthanol et de méthane, symbolisés respectivement en 31, 32 et
33, sont reliés par l'intermédiaire de conduits 34, 35 et 36,
munis de vannes 37, 38 et 39, à une conduite 40 qui débouche
dans la partie B de la zone de cémentation 24. Une conduite
41, munie d'une vanne 42 et reliée à un réservoir d'azote
symbolisé en 43, débouche dans la zone de diffusion 25.
L'évacuation du mélange gazeux de traitement s'effectue par
br~lage au moyen d'une torchère 44. Les pièces traitées
sont ensuite refroidies dans un bain d'huile (non repr~senté
sur la figure).
On porte la zone de cémentation 24 à une température
de 900~C. On in~ecte dans cette zone un mélange azote-méthanol
en proportions telles que l'atmosphère formée dans ladite zone
contienne en espèces principales environ 10 % N2, 30 % CO et
60 % ~2~ ainsi qu'une faible quantité de méthane (0,5 % à
5 % par rapport à la quantité totale du mélange gazeux intro-
duit) de façon ~ obtenir un taux de CO2 de 0,27 %, ce qui
correspond à un potentiel carbone de 1,2 %. La partie B de
la zone de c~mentation 2~ peut contenir cinq paniers~
La ~one de diffusion 25 est à 860~C. On injecte
dans cette zone uniquement de l'azote (les espèce~ carbu-
rantestelles que CO et H2 provenant directement de la zone
de cémentation), en quantité telle que l'atmosphère dans
cette zone de diffusion contienne environ 10 % de CO, et 20 %
de H2~ Le taux de CO2 de liatmosphère est de 0,115 %, ce qui
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12(~8~28
correspond à un potentiel carbone de O,6 %. La zone de
diffusion 25 peut contenir deux paniers.
Les paniers contenant les pièces à traiter sont
introduits dans le four toutes les 11 minutes 15 secondes ,
les pièces restent donc environ 56 minutes 15 secondes dans
la zone de cémentation et 22 minutes 30 secondes dans la zone
de diffusion.
Après trempe des pièces ainsi traitées dans un bain
d'huile, on effectue les mesures de dureté de la couche
carburée qui donnent les résultats suivants:
Dureté Vickers en surface: 925 HV
Profondeur à laqu~lle on a une dureté Vickers de
550 ~ ~ 0,45 mm.
TRAITEMENT COM2ARATIF A L'EXEMPLE 2
A tître de comparaison, on effectue un traitement
en utilisant une atmosphère riche en espèces carburantes, de
même composition en N2, CO et H2 (10 % ~2~ 30 % CO et 60 % H2)
que l'atmosphère utilisée dans la zone de cémentation lors du
traitement selon l'invention dans l'exemple 2 ci-dessus , mais,
dans ce traitement comparatif, l'atmosphère est la même que
dans la zone de c~mentation et dans la zone de diffusion.
Les pi~ces trait~e~ et les temp~ratures de~ zones de
cémentation et de diffusion sont les m8mes que celles de
l'exemple 2. Par contre, le taux de C02 de l'atmosphère est
de 0,37 % darls la zone de c~mentation, ce qui correspond à un
potentiel carbone de 0,9 % , et le taux de C02 de l'atmosphère
dans la zone de diffusion est de 0,85 %, ce qui correspond
à un potentiel carbone de 0,7 %. On ne peut envisager une
variation plus importante de taux de C02 entre les deux
zones, donc un potentiel carbone dans la première zone plus
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élevé, du fait qu'il n'y a pas de modification de l'atmosphère
globale.
Avec ces conditions de traitement, il est nécessaire
d'allonger les temps de cycle. Les paniers contenant les
pièces à traiter sont introduits dans le four toutes les 15
minutes, les pièces restent donc 1 heure 15 minutes dans la
zone de cémentation et 30 minutes dans la zone de diffusion.
Après trempe des pièces ainsi traitées dans un bain
d'huile, on effectue les mesures de dureté de la couche
carburée, mesures qui donnent les résultats ci-dessous:
Dureté en surface : 923 HV
Profondeur à laquelle on a une dureté Vickers de
550 HV : 0,45 mm.
Ainsi, on voit que grâce au procédé conforme à
l'invention, on obtient des résultats, en ce qui concerne
les propriétés métallurgiques des pièces traitées, analogues
ceux obtenus avec un traitement à atmosphère, riche en
espèces carburantes, constante dans les deux zones du four,
mais que, par contre, on obtient un gain de temps de 25 %.
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