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CA 02355479 2001-08-13
"Procédé de traitement superficiel de~ièces mécaniques soumises à la fois à
l'usure et
à la corrosion"
La présente invention concerne un procédé de traitement superficiel de pièces
mécaniques soumises à la fois à l'usure et à la corrosion. Plus
particulièrement,
l'invention se rapporte à un procédé de traitement superficiel de pièces
mécaniques
soumises à la fois à l'usure et à la corrosion permettant de conférer aux
dites pièces
une résistance élevée à l'usure et à la corrosion ainsi qu'une rugosité
propice à la
lubrification. Plus précisément encore, l'invention a trait à un procédé de
traitement
superficiel de pièces mécaniques dont la lubrification doit être contrôlée de
façon
précise, et dont il faut par conséquent maîtriser la rugosité dans une
fourchette étroite.
II est bien connu que l'épaisseur du film d'huile à la surface d'une pièce
dépend
beaucoup de la rugosité de sa surface : une pièce parfaitement polie risquera
de ne pas
être mouillée par l'huile, alors que, à l'inverse, une pièce très rugueuse
sera recouverte
d'un film dont l'épaisseur sera inférieure à la hauteur des microreliefs, il
en résultera des
risques de grippage élevés.
Parmi les pièces qui pourront avantageusement être traitées selon la présente
invention, on peut citer par exemple les tiges de vérins et les soupapes de
moteurs
thermiques. En ce qui concerne une tige de vérin, l'épaisseur du film d'huile
à sa
surface doit étre parfaitement contrôlée ; trop faible, le contact tige-joint
n'est plus
lubrifié et il y a usure ; trop élevé, la fuite de lubrifiant qui en résulte
altère les
performances du vérin. En ce qui concerne une soupape de moteur thermique, le
film
d'huile assure à la fois les fonctions de lubrification et d'étanchéité
dynamique dans le
contact queue de soupape / guide de soupape ; une pièce trop polie fournira un
film
d'huile de faible épaisseur et la lubrification sera aléatoire, tandis qu'une
rugosité élevée
entraînera une consommation d'huile élevée et une perte de rendement du
moteur.
De nombreuse solutions s'offrent à l'homme du métier quand il est en présence
d'un organe qui doit à la fois résister à l'usure et à la corrosion. II est
ainsi courant
d'utiliser des dépôts épais de «chrome dur» microfissurés. Ceux-ci présentent
toutefois
des inconvénients. Sur le plan technique, la présence d'une interface entre
l'acier et le
chrome peut être à l'origine d'écaillages dramatiques pour les fonctions
recherchées,
par ailleurs, dans le cas de pièces qui fonctionnent par intermittence comme
certains
vérins, il y a risque d'élimination du film résiduel de lubrifiant par les
intempéries et donc
corrosion. Sur le plan économique, ce procédé nécessite un dépôt suivi d'un
usinage,
ce qui en fait une solution onéreuse. Sur le plan de l'environnement enfin, le
chromage
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est encore très largement réalisé à l'aide de bains contenant du chrome VI qui
est un
polluant majeur.
Une autre solution couramment utilisée consiste à nitrurer les pièces, puis à
les
oxyder ; ces deux opérations sont souvent suivies d'une étape d'imprégnation
de la
porosité superficielle avec un produit améliorant encore la résistance à la
corrosion. Ces
opérations sont conduites successivement, soit dans un bain de sels comme
l'enseignent par exemple les brevets français FR-A-2 672 059 et FR-A-2 679
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soit dans une atmosphère gazeuse comme l'enseigne par exemple le brevet
européen
0217420.
Cette opération combinée de nitruration et d'oxydation confère généralement
une très bonne résistance à l'usure et à la corrosion, cependant, elle conduit
systématiquement à une augmentation de la rugosité de la pièce, l'amenant à un
niveau
incompatible avec ce qui est requis par les applications relevant du champ de
l'invention.
Cette augmentation de rugosité a conduit l'homme du métier à compléter ces
procédés par une ou des phases de polissage plus ou moins poussées de sorte
que l'on
aboutit à des séquences telles que nitruration-oxydation-polissage, ou même
nitruration-
oxydation-polissage-oxydation. De tels procédés permettent de remplir
efficacement la
fonction lubrification, mais sont difficiles à appliquer industriellement car
ils imposent
une combinaison de technologies différentes (thermochimique et mécanique) qui
les
rend à la fois très onéreux et d'usage limité, il est en effet difficile de
maîtriser par
polissage la rugosité sur une pièce de forme complexe.
De façon surprenante, la Demanderesse a mis en évidence qu'il était possible
d'obtenir à la fois une résistance élevée à l'usure et à la corrosion et une
rugosité
propice à la lubrification en conduisant les opérations de nitruration et
d'oxydation dans
des bains particuliers.
Les objets définis plus haut sont satisfaits par de la présente invention qui
fournit
un procédé de traitement superficiel de pièces mécaniques, permettant de
conférer aux
dites pièces une résistance élevée à l'usure et à la corrosion ainsi qu'une
rugosité
propice à la lubrification dans lequel on effectue consécutivement une
nitruration de
ladite pièce suivie d'une oxydation de ladite pièce, caractérisé en ce que
ladite
nitruration est mise en oeuvre par l'immersion de ladite pièce dans un bain de
nitruration
de sels fondus exempt d'espèces soufrées, à une température comprise entre
environ
500°C et environ 700°C, et en ce que ladite oxydation est mise
en oeuvre dans une
solution aqueuse oxydante à une température inférieure à environ 200°C.
Pour être conforme à l'invention, le procédé doit respecter à la fois
l'association
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consécutive d'une nitruration et d'une oxydation, les deux opérations étant
conduites en
phase liquide dans les conditions spécifiées ci-dessus.
II ne s'agit cependant pas de l'association consécutive d'un procédé de
nitruration particulier et d'un procédé d'oxydation particulier, mais bien
d'un ensemble
indissociable car, dans le cas du procédé conforme à l'invention, il existe
une interaction
très forte entre les deux.
Les deux étapes du procédé, à savoir l'étape de nitruration et l'étape
d'oxydation,
doivent répondre aux conditions suivantes
(1 ) L'opération de nitruration préalable (première étape) doit être exécutée
dans
un bain fondu exempt d'espèces soufrées.
La température du bain est comprise entre environ 500°C et
700°C, par exemple
une température comprise entre environ 590°C et 650°C.
Avantageusement, le bain comporte des cyanates et des carbonates alcalins et
a la composition suivante:
Li+ = 0,2 à 10
Na+ =10à30%
K+ - 10à30%
C032- = 25 à 45
CNO- = 10 à 40
CN- < 0,5
en poids
Par exemple, le bain de nitruration de sels fondus contient les ions suivants,
en
pourcentage en poids
Li+ = 2,8 à 4,2
Na+ = 16,0 à 19,0
K+ = 20,0 à 23,0
C032- = 38,0 à 43,0
CNO- = 12,0 à 17,0
avec une quantité d'ions CN- au plus égale à 0,5 % en poids.
Une agitation par de l'air comprimé sera avantageusement prévue.
Avantageusement, la durée d'immersion des pièces est au moins d'environ 10
minutes; elle peut aller jusqu'à plusieurs heures selon les besoins.
Habituellement, la
durée d'immersion des pièces est comprise entre environ 30 et 60 minutes.
(2) L'opération d'oxydation (deuxième étape) qui fait suite à la nitruration
doit
être conduite à une température inférieure à environ 200°C. La
température du bain
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d'oxydation est de préférence comprise entre environ 110°C et
160°C. Mieux encore, la
température du bain d'oxydation est comprise entre environ 125°C et
environ 135°C.
La composition du bain est avantageusement la suivante
- OH' - 10,0 à 22%
- N03 - 1,8 à 11,8%
- N02 - 0 à 5,3%
- S2032- - 0,1 à 1, 9%
- CI- - 0 à 1,0%
- Na+ - 1,0 à 38%
en poids
Par exemple, la solution aqueuse oxydante contient les ions suivants, en
pourcentage en poids
OH- - 17 à 18,5
N03 - 4,0 à 5,5
N02 - 1,0 à 2,5
CI- - 0,25 à 0,35
Na+ - 25 à 29.
Par exemple, la solution aqueuse oxydante contient en outre 0,6 à 1,0 % en
poids d'ions thiosulfate S2032-.
La durée d'immersion des pièces dans le bain d'oxydation est avantageusement
comprise entre environ 5 et 45 minutes.
II est remarquable de constater que, après avoir été nitrurées puis oxydées
conformément à l'invention, les pièces traitées peuvent ensuite subir une
opération
d'imprégnation avec la même efficacité que dans l'art antérieur. Bien que la
rugosité
finale soit nettement plus faible, l'affinité de la couche pour les produits
d'imprégnation
est au moins aussi élevée. Ce fait surprenant n'est encore pas expliqué
scientifiquement à ce jour.
L'invention fournit également une pièce traitée par le procédé ci-dessus, dans
laquelle ledit procédé a provoqué des modifications superficielles. La pièce
selon
l'invention est caractérisée en ce que sa rugosité a une valeur Ra inférieure
à environ
0,5 Nm et en ce que sa surface est exempte de "tables".
L'invention sera à présent décrite plus en détail dans les exemples non
limitatifs
suivants.
Exemple 1
Des éprouvettes parallélépipédiques de dimensions 30 x 18 x 8 mm ainsi que
des bagues de diamètre 35 mm, toutes deux en acier non allié à 0,35 % de
carbone et
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de rugosité initiale Rmax = 0,6 Nm, ont été traitées en premier lieu dans un
bain de sels
de nitruration contenant en masse 19 % d'ions cyanates, 37 % d'ions carbonates
et
3,5 % d'ions lithium, le reste étant des ions sodium et potassium. Les pièces
ont été
immergées pendant 40 minutes à la température de 630°C.
5 A leur sortie du bain, les pièces ont été refroidies dans une cuve d'eau
puis
lavées avant d'être immergées 15 minutes dans une saumure oxydante à
135°C
constituée à raison de 85 kg du mélange de sels suivants (Tableau I) en % en
poids
pour 75 litres d'eau
Tableau I
HO- 18%
N02 2%
N03 5%
S2032- 1
CI- 0,3%
Na+ 27%
Les pièces ont ensuite été lavées dans une eau à 80°C puis
neutralisées dans
une solution à base d'huile soluble à 40°C avant d'être séchées.
Les éprouvettes ont été caractérisées d'une part en rugosité et d'autre part
en
essais de frottement.
Les mesures de rugosité réalisées sur les pièces ainsi traitées sont
regroupées
dans le Tableau II et comparées à celles obtenues avec les procédés classiques
répertoriés, N1, N2, Ox1 et Ox2 correspondant pour N1 à une nitruration selon
FR 72 05 498, N2 à une nitruration selon (TF1 ), 01 à une oxydation selon FR
93 09814
et 02 à une oxydation selon FR 76 07858. Les paramètres morphologiques des
motifs
de rugosité utilisés pour qualifier les états de surface sont : Ra (moyenne
arithmétique
de longueur) et R (moyenne arithmétique de profondeur).
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Tableau II
AVANT APRES
TRAITEMENT TRAITEMENT
TRAITEMENT
R AR R AR
Om) ~Nm) ~Nm) iNm)
N2Ox2
NON POLI 0,25 58 2,3 62
POLI 0,25 58 0,9 54
N3 +0x3
NON POLI 0,25 58 2,5 66
POLI 0,25 58 0,9 56
N1 + 0x3 0,25 58 0,85 52
: traitement
selon
l'invention
On notera que le procédé selon l'invention permet d'obtenir une rugosité
équivalente à celle des procédés classiques suivis d'un polissage.
Pour les essais de frottement, la bague est appuyée contre la grande face de
la
plaquette avec une charge régulièrement croissante depuis la valeur initiale
de 5 daN et
avec une vitesse de glissement constante de 0,55 m/s. La surface frottante de
la
plaquette est huilée avant l'essai. Les résultats sont regroupés dans le
Tableau III.
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Tableau III
Traitement Dure de Usure cumuleCoefficient
l'essai des deux de
(mn) pices (Nm) frottement
N2 + 0x2 Sans polissage30 30 0,4
Aprs polissage60 12 0,25
N3 + 0x3 Sans polissage30 34 0,43
Aprs polissage50 20 0,3
N1 + 0x1 60 10 0,2
: traitement
selon
l'invention
Exemple 2
Des cylindres en acier fortement allié contenant 0,45 % de carbone, 9 % de
chrome et 3 % de silicium, sont traités dans un bain de nitruration de
composition
identique à celui de l'Exemple 1.
Les pièces sont immergées pendant 30 minutes dans le bain maintenu à une
température de 590°C puis trempées dans l'eau froide. Une fois lavées,
elles sont
oxydées dans la saumure décrite à l'Exemple 1 pendant 10 minutes à
130°C puis à
nouveau lavées à l'eau chaude.
Habituellement, sur ce type d'aciers, les rugosités obtenues avec les procédés
standard de nitrocarburation oxydation ou de sulfo-nitrocarburation oxydée
sont
relativement élevées à cause de la mauvaise qualité des couches superficielles
obtenues (couches très poreuses et oxydes pulvérulents peu adhérents). A titre
indicatif,
le Rz est habituellement de l'ordre de 10 Nm et il est souvent nécessaire de
réaliser une
opération de polissage, voire de microbillage, pour amener la rugosité Rz au
voisinage
de 2 Nm.
Les éprouvettes traitées selon la gamme décrite dans cet exemple, présentent
un Rz compris entre 2 et 2,5 Nm sans qu'on ai eu besoin de recourir à un
polissage ou à
un microbillage.
Nota : Rz = moyenne des profondeurs de rugosité selon la norme NF ISO 4287
de 1997 corrigée 1998.
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Exemple 3
Des essais ont été conduits pour montrer dans quelle mesure le procédé
conforme à l'invention est un ensemble indissociable. Dans ce cadre, des
éprouvettes
cylindriques en acier non allié à 0,35 % en masse de carbone ont été traitées
en
associant différents procédés de nitruration avec les procédés d'oxydation
usuels, y
compris celui cité dans les Exemples 1 et 2.
L'étape de nitruration a été réalisée soit, selon FR 72 05498, à 570 C, dans
un
bain de sels constitué en poids de 37 % d'ions cyanates et 17 % d'ions
carbonates, le
reste étant des cations alcalins K+, Na+ et Li+, avec en plus 10 à 15 ppm
d'ions S2 ,
soit dans les.mêmes conditions que celles de l'Exemple 1.
L'étape d'oxydation a été conduite soit selon FR 9309814, à 475°C dans
un bain
de sels à base de 13,1 % d'ions carbonates, 36,5 % d'ions nitrates, 11,3 %
d'ions
hydroxydes et 0,1 % d'ions bichromates, le reste étant des cations alcalins
K+, Na+ et
Li+, soit dans les conditions décrites dans les Exemples 1 et 2.
Les résultats obtenus en rugosité sont regroupés dans le Tableau IV ci-après,
sachant que la rugosité de départ pour toutes les éprouvettes est de 0,3 Nm
Ra.
Tableau IV
TRAITEMENT RUGOSITE APRES TRAITEMENT
R (pm) AR (pm)
N2 570 C + Ox2 475 2,3 62
C
N2 570 C + Ox1 130 2.6 66
C
N1 630 C + Ox2 475 2,4 63
C
N1 570 C + Ox1 130 0,9 54
C
N1 630 C + Ox1 130 0,85 _ 52
C
selon invention
N1 570 C + Ox1 110 0,9 55
C
N1 590 C + Ox1 150 0,85 51
C
selon invention
