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Acier pour pièces mécaniques, procédé de fabrication de pièces
mécaniques l'utilisant et pièces mécaniques ainsi réalisées
L'invention concerne le domaine de la sidérurgie, et plus
particulièrement les aciers pour pièces mécaniques telles que des pignons.
Les aciers pour pignonnerie doivent avoir une grande résistance à la
fatigue de contact. La plupart du temps, les pièces usinées à partir de ces
aciers subissent un traitement de cémentation ou de carbonitruration, visant à
leur procurer une dureté superficielle et une résistance mécanique
suffisantes,
tout en leur conservant une bonne ténacité à c ur grâce, notamment, à une
teneur en carbone de l'ordre de 0,10 à 0,30% seulement. La teneur en carbone
de la couche cémentée peut aller jusqu'à 1% environ.
Divers documents décrivent des aciers de pignonnerie destinés à être
cémentés. On peut citer US-A-5 518 685, dans lequel les teneurs en Si et Mn
sont maintenues dans des limites relativement basses (0,45 à 1% et 0,40 à
0,70% respectivement) pour éviter une oxydation intergranulaire lors de la
cémentation. JP-A-4-21757 décrit des aciers pour pignonnerie destinés à être
cémentés par plasma ou sous pression réduite, puis grenaillés, pouvant avoir
des teneurs en Si et Mn plus élevées que les précédents. Ils ont une haute
résistance à la pression superficielle subie par le pignon, dont la durée de
vie
est ainsi élevée.
WO-A-03 012 156 propose un acier pour pièces mécaniques, telles
que des pignons, dont la composition est: 0,12% 5 C 5 0,30%; 0,8% 5 Si 5
1,5%; 1,0% 5 Mn 5 1,6%; 0,4% É Cr 5 1,6%; Mo 5 0,30%; Ni 5 0,6%; Al 5
0,06%; Cu 5 0,30% ; S 5 0,10%; P 0,03%; Nb 5 0,050%. Cet acier présente
l'avantage de minimiser les déformations plastiques en service de l'ensemble
de la pièce, grâce, notamment, à un équilibrage judicieux des teneurs en
silicium et manganèse. De préférence, la cémentation ou la carbonitruration
doit avoir lieu dans des conditions non-oxydantes, par exemple sous pression
réduite, pour que les teneurs relativement élevées en silicium et manganèse ne
conduisent pas à des problèmes d'oxydation intergranulaire.
Habituellement, la cémentation ou la carbonitruration a lieu à une
température de l'ordre de 850 à 930 C. Cependant, la tendance actuelle est de
chercher à effectuer cette opération à des températures plus élevées
(cémentation ou carbonitruration à haute température), de l'ordre de 950 à
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1050 C. Cette augmentation de la température de traitement permet soit de
réduire la durée du traitement, à profondeur cémentée égale, soit d'augmenter
la profondeur cémentée, à durée de traitement égale. Au choix du producteur,
on peut ainsi augmenter la productivité de l'installation, ou augmenter les
performances des produits obtenus.
Cependant, l'application d'une cémentation ou carbonitruration haute
température aux aciers connus qui ont été décrits pose plusieurs problèmes.
En premier lieu, la température élevée peut conduire à une croissance des
grains mal maîtrisée, néfaste pour les propriétés mécaniques de la pièce.
D'autre part, la cémentation ou la carbonitruration est suivie d'une trempe au
cours de laquelle la pièce subit des déformations. Celles-ci peuvent
nécessiter
une reprise d'usinage de la pièce, voire dans les cas les plus graves,
entraîner
sa mise au rebut. Ces problèmes sont accentués lorsque la trempe a lieu sur
une pièce venant de subir une cémentation ou une carbonitruration à haute
température et non à une température plus habituelle.
Le but de l'invention est de proposer aux métallurgistes pratiquant la
cémentation ou la carbonitruration à haute température de pièces mécaniques,
notamment des pignons, un acier répondant aux problèmes précédemment
cités tout en conservant les propriétés mécaniques requises, et qui soit
également compatible avec les opérations de cémentation et carbonitruration
effectuées à des températures plus habituelles.
A cet effet, l'invention a pour objet un acier pour pièces mécaniques,
caractérisé en ce que sa composition est, en pourcentages pondéraux:
- 0,19% 5 C 5 0,25%;
- 1,1% 5 Mn 5. 1,5%;
- 0,8% 5. Si 5. 1,2%;
-0,01% 5 S .5 0,09%;
- traces 5. P 5 0,025%;
- traces .5 Ni 5. 0,25%;
-1% 5 Cr 5 1,4%;
- 0,10% 5 Mo 5. 0,25%;
-traces 5 Cu 5 0,30%;
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- 0,010% _5A( _5 0,045%;
- 0,010% 5 Nb 5. 0,045%;
- 0,0130% 5 N 5. 0,0300%;
- Ti 5 0,005%;
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, la
composition
chimique étant ajustée pour que les valeurs moyennes J3m, Jiimi jism et J25m
de
cinq essais Jominy soient telles que:
01J11mJ3mX14I22J25mX8I22I52,5 HRC ;et
= J3n, ¨ J15nõ 5. 9 HRC.
De préférence l'acier est caractérisé en ce que sa composition est, en
pourcentage pondéraux: traces 5 Bi 5 0,10% et/ou traces 5 Pb 5 0,12% et/ou
traces
5 Te 5 0,015% et/ou traces 5 Se 5 0,030% et/ou traces 5 Ca 5 0,0050%.
De préférence, sa composition est ajustée pour que
J3,, ¨ J15,, 5. 8 HRC.
De préférence, sa composition est:
- 0,19% 5 C 0,25%;
- 1,2% 5 Mn 5 1,5%;
- 0,85% .5 Si _5 1,2%;
- 0,01% É S 0 , 0 9 % ;
- traces 5. P 5 0,025%;
- 0,08% 5 Ni 5 0,25% ;
- 1,1% 5. Cr 5 1,4%;
- 0,10% 5 Mo 5 0,25%;
- 0,06% .5 Cu _5 0,30%;
- 0,010% 5_ Al 5 0,045%;
- 0,015% _5 Nb 5 0,045%;
- 0,0130% 5 N 5 0,0300%;
- Ti 5 0,005%;
optionnellement traces 5 Bi 5 0,07% et/ou traces < Pb < 0,12% et/ou
traces 5. Te 5. 0,010% et/ou traces 5 Se _5 0,020% et/ou traces 5 Ca 5 0,045%,
le reste étant du fer et les impuretés résultant de l'élaboration.
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Optimalement, sa composition est :
- 0,20% C 5 0,25%;
- 1,21% 5. Mn 5. 1,45%;
- 0,85% 5 Si 5_ 1,10%;
- 0,01% 5 S 5 0,08%;
- traces _5 P 5 0,020%;
- 0,08% 5 Ni 5_ 0,20%;
- 1,10% 5 Cr 5. 1,40%;
- 0,11% 5 Mo 5 0,25%;
- 0,08% 5 Cu .5 0,30%;
- 0,010% _5 AI _5 0,035%;
- 0,025% .5 Nb 5 0,040%;
- 0,0130% .5 N 5.. 0,0220%;
- Ti 5 0,005%;
optionnellement traces 5 Bi 5_ 0,07% et/ou traces _5 Pb
0,12% et/ou
traces _5 Te 5 0,010% et/ou traces 5 Se 5 0,020% et/ou traces 5 Ca 5_ 0,045%,
le reste étant du fer et les impuretés résultant de l'élaboration.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une
pièce mécanique en acier cémentée ou carbonitrurée, caractérisé en ce qu'on
utilise à cet effet un acier du type précédent sur lequel on réalise un
usinage,
une cémentation ou une carbonitruration puis une trempe.
De préférence, ladite cémentation ou carbonitruration a lieu à une
température de 950 à 1050 C.
L'invention a également pour objet une pièce mécanique en acier, telle
qu'une pièce de pignonnerie, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par le
procédé précédent.
Comme on l'aura compris, l'invention repose sur un ajustement précis
des fourchettes de teneurs des principaux éléments d'alliages, ainsi que sur
la
présence simultanée, dans des teneurs bien définies, d'aluminium, niobium et
azote.
Les effets recherchés sont essentiellement de deux ordres.
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En premier lieu, le choix des teneurs en les principaux éléments
d'alliage vise à obtenir une courbe Jominy sans point d'inflexion
significativement marqué. Cette condition permet d'obtenir des déformations
minimales au cours de la trempe. De ce point de vue, la cémentation ou la
carbonitruration effectuée à haute température est, comme on l'a dit,
particulièrement exigeante.
On rappelle que la courbe Jominy d'un acier, qui est obtenue au moyen
d'un essai classique et normalisé, caractérise la trempabilité de l'acier.
Elle est
obtenue en mesurant la dureté d'une éprouvette cylindrique, trempée par un jet
d'eau arrosant l'une de ses extrémités, le long d'une de ses génératrices. La
dureté est mesurée à plusieurs distances x (en mm) de ('extrémité arrosée, et
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la valeur correspondante est désignée par J. On appelle Jx,, la valeur moyenne
obtenue au cours de cinq essais de mesure de la dureté à la distance X.
Comme exposé dans le document EP-A-0 890 653 auquel le lecteur
est invité à se reporter pour de plus amples détails, la demanderesse avait
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montré qu'une composition de l'acier procurant une courbe Jominy sans point
d'inflexion était favorable à l'obtention de déformations très réduites au
cours
de la trempe suivant une cémentation ou une carbonitruration. Cette courbe
Jominy sans point d'inflexion est obtenue lorsque les valeurs J11m, J3m, J25m
et
J15rn satisfont les relations suivantes :
- a =1Jiim ¨J3m x 14/22 ¨ J25m x 8/2215 2,5 HRC ;
- fl = J3,, ¨ Ji5m 5 9 HRC, ou mieux 5 8 HRC.
La composition de l'acier selon la présente invention est donc ajustée
pour que cette relation soit également obtenue dans son cas.
La composition est également ajustée, notamment grâce à la présence
conjointe d'aluminium, niobium et azote dans des teneurs définies, pour que la
taille des grains demeure contrôlée, même lorsque la cémentation ou la
carbonitruration a lieu à haute température.
Enfin, bien entendu, la composition de l'acier doit procurer les
propriétés mécaniques recherchées pour l'utilisation de la pièce. Parmi les
critères à surveiller plus particulièrement on peut citer la profondeur
cémentée
(classiquement définie par la profondeur à laquelle la dureté mesurée est de
550 HV), l'écart de dureté entre la surface et le coeur de la pièce cémentée
qui
doit être le plus faible possible pour minimiser les déformations à la trempe,
et
la dureté à coeur qui doit être élevée pour que la pièce ait une bonne réponse
aux contraintes en service, et donc une bonne tenue en endurance et en
fatigue.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit,
donnée en référence à la figure annexée, qui montre les courbes Jominy de
quatre aciers de référence et de trois aciers conformes à l'invention.
L'acier selon l'invention est destiné prioritairement à la fabrication de
pièces mécaniques fortement sollicitées telles que des éléments de
pignonnerie, destinées à être cémentées ou carbonitrurées (de préférence à
basse pression ou sous atmosphère non oxydante pour éviter une oxydation
des éléments les plus oxydables), aussi bien à des températures usuelles de
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850-930 C environ qu'à des hautes températures de l'ordre de 950-1050 C.
Ces pièces doivent présenter une haute endurance en fatigue, une bonne
ténacité et n'être que faiblement déformées lors des traitements thermiques
tels que la trempe suivant la cémentation ou la carbonitruration. Il a la
composition suivante (tous les pourcentages sont des pourcentages
pondéraux).
Sa teneur en carbone est comprise entre 0,19 et 0,25%. ces teneurs
sont usuelles pour des aciers de pignonnerie. D'autre part, cette plage
autorise
un ajustement des teneurs des autres éléments qui permet d'obtenir la forme
désirée pour la courbe Jominy. La teneur minimale de 0,19% est, de plus,
justifiée par la dureté à coeur après trempe qu'elle permet d'obtenir. Au-delà
de
0,25%, la dureté risque d'être trop élevée pour conserver à l'acier
l'usinabilité
souhaitable. La gamme préférentielle est 0,20-0,25%.
Sa teneur en manganèse est comprise entre 1,1 et 1,5%. La valeur
minimale est justifiée par l'obtention de la courbe Jominy désirée en
conjonction avec les teneurs des autres éléments. Au-delà de 1,5% il y a le
risque d'apparition de ségrégations, et aussi de structures de bandes pendant
les recuits. De plus une teneur aussi élevée provoquerait lors de
l'élaboration
une attaque excessive du revêtement réfractaire de la poche d'aciérie. Il ne
serait pas souhaitable de resserrer davantage cette gamme de teneurs, car
l'obtention à l'aciérie de la nuance précise désirée pourrait être exagérément
difficile. La gamme préférentielle est 1,2-1,5%, mieux 1,21-1,45%.
Sa teneur en silicium est comprise entre 0,8 et 1,2%. Dans cette
gamme, la forme désirée de la cou rbe Jominy peut être obtenue en conjonction
avec les teneurs des autres éléme nts. La valeur minimale de 0,8% est
justifiée
par l'obtention de la dureté à coeur désirée, ainsi que par la limitation de
l'écart
de dureté entre surface et coeur ap rès cémentation ou carbonitruration. Au-
delà
de 1,2%, il y a un risque d'apparition de ségrégations excessives, car le
silicium, s'il ségrège peu lui-même, tend à accentuer la ségrégation d'autres
éléments. Il y aurait également un risque accru d'oxydation lors de la
cémentation ou de la carbonitruration. La gamme préférentielle est 0,85-1,20%,
mieux 0,85-1,10%.
Sa teneur en soufre est comprise entre 0,01 et 0,09%. la valeur
minimale se justifie pour l'obtention d'une usinabilité correcte. Au-delà de
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0,09% il y a un risque de diminution trop sensible de la forgeabilité à chaud.
La
gamme préférentielle est 0,01-0,08%.
Sa teneur en phosphore est comprise entre des traces et 0,025%. De
manière générale, les normes en vigueur tendent à requérir une teneur
maximale en phosphore de cet ordre. De plus, au-delà de cette valeur, il y a
un
risque de synergie avec le niobium provoquant une fragilisation de l'acier
lors
de la mise en forme à chaud et/ou de la coulée continue de l'acier sous forme
de blooms ou de billettes. De préférence, la teneur en phosphore est d'au plus
0,020%.
io Sa
teneur en nickel est comprise entre des traces et 0,25%. Cet
élément, introduit volontairement à des teneurs plus élevées, augmenterait
inutilement le coût du métal. Dans la pratique, on pourra se contenter de la
teneur en nickel résultant naturellement de la fusion des matières premières
de
la coulée, sans ajout volontaire. La gamme préférentielle est 0,08-0,20%.
Sa teneur en chrome est comprise entre 1,00 et 1,40%. Dans cette
gamme, en conjonction avec les teneurs des autres éléments, on peut obtenir
la forme de la courbe Jominy désirée. De plus, la teneur minimale de 1,00%
= permet d'obtenir une bonne dureté à coeur_ Au-delà de 1,40%, on
augmenterait
inutilement le coût de l'élaboration. La gamme préférentielle est 1,10-1,40%.
Sa teneur en molybdène est comprise entre 0,10 et 0,25%. Dans cette
gamme, en conjonction avec les teneurs des autres éléments, on obtient la
forme de la courbe Jominy et la dureté à coeur désirées. La gamme
préférentielle est 0,11-0,25%.
Sa teneur en cuivre est comprise entre des traces et 0,30%. Là encore,
comme pour le nickel, on conservera généralement purement et simplement la
teneur obtenue après fusion des matières premières. Au-delà de 0,30%, on
dégraderait la ductilité et la ténacité à coeur de la pièce. La gamme
préférentielle est 0,06-0,30%, mieux 0,03-0,30%, de manière à optimiser la
forme de la courbe Jominy et la dureté après trempe.
Ses teneurs en aluminium, niobium et azote doivent être contrôlées
dans des limites précises. En effet, ce sont des éléments qui, en interaction,
procurent un contrôle de la finesse du grain du métal. Cette finesse est
désirable pour l'obtention d'une bonne ténacité dans la couche cémentée ou
carbonitrurée, d'une bonne tenue en fatigue et d'une réduction de la
dispersion
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de la déformation lors de la trempe. De plus, elle a aussi son importance dans
l'obtention de la forme désirée de la courbe Jominy. Le contrôle de la taille
du
grain est, dans le cadre de l'invention, d'autant plus important que l'acier
doit
être capable de subir une cémentation ou carbonitruration à haute température
sans que survienne une croissance excessive de la taille du grain.
Ce contrôle du grain se fait essentiellement par la précipitation de
nitrures et carbonitrures d'aluminium et/ou de niobium. Pour l'obtenir, il
faut
donc une présence significative de ces deux éléments, ainsi que d'azote à une
teneur sensiblement supérieure à celle que l'on obtient habituellement à la
io suite d'une élaboration effectuée dans des conditions normales.
La teneur en aluminium doit être comprise entre 0,010 et 0,045%.
Outre sa fonction de contrôle du grain déjà citée, cet élément pilote la
désoxydation de l'acier et sa propreté en termes d'inclusions d'oxydes. En-
dessous de 0,010%, ses effets, de ces derniers points de vue, seraient
insuffisants. Au-dessus de 0,045%, la propreté en inclusions d'oxydes risque
d'être insuffisante pour les applications visées prioritairennent. La gamme
préférentielle est 0,010-0,035%.
La teneur en niobium doit être comprise entre 0,010 et 0,045%. En-
dessous de 0,010% l'effet de contrôle du grain ne serait pas suffisant, en
particulier pour les plus basses teneurs en aluminium. Au-dessus de 0,045%, il
y a un risque d'apparition de criques lors de la coulée continue de l'acier,
notamment si une synergie avec le phosphore peut se produire, comme on l'a
signalé plus haut. La gamme préférentielle est 0,0 15-0,045%, mieux 0,015-
0, 040%.
En conjonction avec les teneurs en aluminium et niobium telles qu'elles
ont été citées, la teneur en azote doit être comprise entre 0,0130 et 0,0300%
(130 à 300 ppm), afin que l'ajustement de la taille du grain et la forme de la
courbe Jominy désirés soient obtenus. La gamme préférentielle est 0,0130-
0,0220%.
Si cela apparaît désirable, on peut ajouter à l'acier un ou plusieurs des
éléments classiquement connus pour améliorer son usinabilité : plomb, tellure,
sélénium, calcium, bismuth notamment. Leurs teneurs maximales sont 0,10%,
mieux 0,07%, pour Bi, 0,12% pour Pb, 0,015%, mieux 0,010%, pour Te,
0,030%, mieux 0,020%, pour Se et 0,0050%, mieux 0,0045%, pour Ca.
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Les autres éléments sont ceux habituellement présents dans rader en
tant qu'impuretés résultant de l'élaboration, et ne sont pas rajoutés
volontairement. Il faut, en particulier, veiller à ce que la teneur en titane
ne
dépasse pas 0,005%. En effet comme l'acier selon l'invention est très riche en
s azote, au-delà de cette teneur il y aurait un risque de formation de
nitrures
et/ou de carbonitrures de titane grossiers, visibles par micrographie, qui
diminueraient la tenue en fatigue et altéreraient l'usinabilité. De plus le
titane
capterait ainsi de l'azote qui ne serait plus disponible pour le contrôle du
grain.
L'invention va être à présent illustrée au moyen d'exemples. La figure
to annexée montre les courbes Jorniny de quatre aciers dont les compositions
sont données dans le tableau 1. Les açiers A, B, C et D sont des aciers de
référence. Les aciers E, F et G sont eux, conformes à t'invention.
Acier_ C% Mn% syx, S% P% Ni% CI% Mo% Cu% M% _ 17% , Nb% N%
A 0,236 0.888 0,224 0.015 0,011 0,011 1,194 0,014 0,010 0,021 traces traces
0,0124
(ref.)
B 0,196 1,188 0,069 0,023 0,012 0,208 1,228 0,098 0.1e2 0,021 traces 0.030
0,0179
ref.
C 0.192 1,205 0,845 0,029 0,014 0,080 0,995 0.099 0,1/0 0,025 tracas 0,011
0,0110
(ref.) =
D 5.245 1,215 0,840 0,035 0,012 0,086 0,980 0,103 0,098 0,035 traces 0.012
0,0090
=
Jr )
E 0,230 1,287 0,920 0,018 0,017 0,201 1,289 0,200 0,211 0,032 traces 0,025
0,0174
F 0,201 1,453 1,191 0,041 0,014 0,139 1,381 0.248 0,122 0,031 = 0,002 0.038
0,0243
(inv.)
G 0,241 1,254 0,852 0,015 0,010 0,189 1,121 0,111 0,109 0,012 traces 0,015
0,0141
Jinv.)
Tableau 1: Compositions des échantillons
Dans le cas de réchantillon A, la grandeur a telle que définie plus haut
est égale à 8,7, et la grandeur g telle que définie plus haut est égale à
19,1.
Elles se situent donc très au-dessus du maximum exigé par l'invention. De
fait,
on voit que la courbe Jominy présente un point d'inflexion très marqué.
=
TOTAL P.03
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Dans le cas de l'échantillon B, a est égale à 2,38 et f3 est égale à 11,1.
[3 n'est donc pas conforme aux exigences de l'invention, et la courbe Jominy
présente elle aussi un point d'inflexion significatif, bien que ce-t acier
contienne
du niobium et de l'azote dans les limites prescrites. La raison essentielle en
est
5 que sa teneur en silicium est insuffisante.
Dans le cas de l'échantillon C, a est égale à 3,38 et f3 est égale à 10,7.
Ni a, ni f3 ne sont dans les limites prescrites, et la courbe Jominy présente
un
point d'inflexion marqué. Cr et Mo sont juste en dessc>us des valeurs
minimales exigées, et surtout la teneur en azote est insuffisante.
io Dans
le cas de l'échantillon D, a est égale à 2,845 et f3 est égale à 9,5,
ce qui là encore est en dehors des limites prescrites. Le courbe Jominy
présente un point d'inflexion marqué, en raison de teneurs en Cr et azote
insuffisantes.
En revanche, pour l'échantillon E selon l'invention a est égale à 0,41 et
[3 est égale à 2,7. Les conditions requises sont satisfaites et on voit que la
courbe Jominy est quasiment rectiligne et dépourvue de point d'inflexion.
De même, pour l'échantillon F selon l'invention, a est égale à 0,23 et f3
est égale à 3,7. Là encore, sa courbe Jominy est quasiment .rectiligne et
dépourvue de point d'inflexion.
De même, pour l'échantillon G selon l'invention, a est égale à 0,83 et [3
est égale à 6,6. Sa courbe Jominy est quasiment rectiligne et dépourvue de
point d'inflexion marqué.
On a également étudié le comportement à la cémentation des aciers A,
B et E du tableau 1, dans des conditions de température usuelles et à haute
température.
Des cémentations à température usuelle (930 C) ont été réalisées sous
basse pression dans des conditions similaires sur des échantillons
cylindriques
pour conférer à la surface cémentée une teneur en carbone de 0,75%. Ces
cémentations ont été suivies de trempes en milieu gazeux (en l'occurrence
dans de l'azote, mais un mélange azote-hydrogène à 10% d'hydrogène aurait,
par exemple, pu être utilisé) dans deux conditions de pression différentes : 5
bars et 20 bars. On visait ainsi à obtenir une dureté superficielle de 700 à
800
HV et une profondeur cémentée (à savoir la profondeur à laquelle la dureté est
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de 550 HV) de 0,50 mm. Les résultats sont donnés dans le tableau 2 (essais à
bars) et dans le tableau 3 (essais à 20 bars).
Acier Dureté HV en Profondeur cémentée Dureté HV à coeur hors zone
surface (mm) cémentée
A 760 0,35 263
(ref.)
B 760 0,50 408
(ref.)
E 780 0,48 426
(inv.)
Tableau 2: Comportement à la cémentation dans le cas d'une trempe
5 en milieux gazeux à 5 bars
Acier Dureté HV en Profondeur cémentée Dureté HV à c ur hors zone
surface (mm) cémentée
A 780 0,45 318
(ref.)
B 720 0,55 423
(ref.)
C 738 0,53 408
(ref.)
E 750 0,55 524
(inv.)
Tableau 3: Comportement à la cémentation dans le cas d'une trempe
en milieux gazeux à 20 bars
Ces essais montrent que l'acier de référence A ne permet pas
d'atteindre aisément la profondeur cémentée recherchée. Cela est dû à son
manque de trempabilité.
Les aciers de référence B et C et l'acier selon l'invention E perm ettent
tous trois d'obtenir la profondeur cémentée visée, dans des conditions de
température de cémentation usuelles.
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L'écart AHV entre la dureté superficielle et la dureté à coeur est très
comparable, pour un milieu de trempe à 5 bars, dans les cas de l'acier de
référence B et de l'acier selon l'invention E (AHV = respectivement 352 et
354),
et très inférieur à ce qu'il est pour l'acier de référence A (AHV = 497). Pour
un
milieu de trempe à 20 bars, en revanche, AHV est nettement moins favorable
pour les aciers de référence B et C que pour l'acier de l'invention E (AHV =
respectivement 297, 330 et 226). Il en résulte que les contraintes résiduelles
générées par ces écarts de dureté, qui sont à l'origine des déformations lors
de
la trempe dans des conditions sévères sur les pièces cémentées, peuvent être
minimisées par l'utilisation d'aciers selon l'invention.
Enfin, les duretés à c ur les plus élevées sont obtenues avec l'acier E
selon l'invention. Donc, dans le cas de pièces de pignonnerie fortement
sollicitées en service pour lesquelles sont recherchées des caractéristiques
mécaniques élevées (notamment des duretés élevées sous la couche
cémentée et à coeur), supérieures aux contraintes auxquelles la pièce est
soumise en service, de façon à assurer une bonne endurance en fatigue en
service, l'acier selon l'invention est celui qui, pour des conditions de
cémentation données, se prêtera le mieux à une endurance en fatigue élevée
en service.
On a également réalisé des essais de cémentation à haute
température (980 C) sur des échantillons cylindriques des aciers A et D de
référence et E selon l'invention décrits précédemment. Là encore la surface
cémentée avait une teneur en carbone de 0,75%. Dans les deux cas, on visait
une dureté superficielle de 700 à 800 HV et une profondeur cémentée, à dureté
de 550 HV, de 0,50 mm. La trempe en milieu gazeux (azote) qui a suivi la
cémentation a eu lieu sous une pression de 20 bars pour les aciers A et D et
seulement 1,5 bar pour l'acier E. Les résultats sont présentés dans le tableau
4. On y présente aussi des évaluations de la taille de grain selon la norme
ASTM.
Acier Dureté HV Profondeur Dureté HV à Taille de grain Taille de
grain
en surface cémentée coeur hors zone ASTM dans ASTM hors
(mm) cémentée
couche cémentée couche cémentée
A 740 0,50 312 7/9 8/9
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(ref.)
D 735 0,59 461 7/8 8/9
(ref.)
740 0,70 500 8/9 9/10
(inv.)
Tableau 4: Comportement à la cémentation dans le cas d'une trempe
en milieux gazeux à 20 bars (aciers A et C) et 1,5 bar (acier E)
Comme dans le cas de la cémentation à température usuelle de 930 C,
les deux aciers permettent d'atteindre la dureté superficielle visée.
L'invention permet d'obtenir une profondeur cémentée sensiblement
plus importante que dans le cas de la référence A, bien que celle-ci ait été
trempée dans des conditions beaucoup plus sévères qui sont connues pour
faire augmenter la profondeur cémentée toutes choses étant égales par
ailleurs.
L'écart de dureté entre surface et coeur est nettement plus faible dans
le cas de l'invention que dans le cas des références A et D (LHV =
respectivement 240 pour E, 428 pour A et 274 pour D). Les avantages cités
plus haut en matière de déformations lors de la trempe après une cémentation
à température usuelle se retrouvent également ici, encore plus accentués.
La dureté à c ur est plus élevée dans le cas de l'invention que dans le
cas de la référence, malgré une pression du milieu de trempe beaucoup plus
faible. Les conséquences sur l'amélioration de l'endurance en fatigue en
service citées plus haut pour la trempe à température usuelle se retrouvent
également ici.
Enfin, tant dans la zone cémentée que hors de la zone cémentée,
l'acier selon l'invention a une taille de grain ASTM plus fine que les aciers
de
référence A et D. De ce fait, il est moins sensible aux risques de
grossissement
du grain lors d'une cémentation à haute température. Ceci est un avantage très
significatif, car le grossissement du grain sur pièces cémentées a un effet
extrêmement néfaste sur la tenue en fatigue en pied de dent et sur la ténacité
des pièces cémentées. Les aciers selon l'invention sont donc parfaitement
aptes à être utilisés pour fabriquer des pièces de pignonnerie (ou de toutes
autres pièces pour lesquelles des caractéristiques comparables sont exigées)
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cémentées ou carbonitrurées à haute température, avec tous les avantages
économiques que cela entraîne, sans aucunement sacrifier les performances
desdites pièces.
On a également procédé à d'autres essais de cémentation sous basse
pression sur l'acier de référence A et sur l'acier E suivant l'invention.
Pour une cémentation sous basse pression effectuée à 930 C sur
l'acier A suivie d'une trempe gaz sous 20 bars, il faut 72mn de cémentation
pour obtenir la profondeur de cémentation visée de 0,50mm pour HV = 550.
Avec l'acier E suivant l'invention, en cémentation basse pression à 930 C
io suivie d'une trempe gaz (même gaz que pour l'acier A) sous 1,5 bar, 30mn
de
cémentation sont suffisantes pour obtenir la même profondeur cémentée de
0,50mm pour HV = 550.
Pour une cémentation sous basse pression à haute température à
980 C effectuée sur l'acier A de référence, il faut 30mn de cémentation et une
trempe gaz sous 20 bars pour obtenir la profondeur de cémentation visée de
0,50mm pour HV = 550. 20mn de temps de cémentation sous basse pression
à 980 C sont suffisantes pour obtenir la même profondeur de cémentation de
0,5mm pour HV = 550 pour l'acier E suivant l'invention et ceci avec une trempe
gaz sous une pression de seulement 1,5 bar. Le gaz de trempe utilisé pour les
aciers A et E est bien sûr le même.
Ceci montre que l'acier E suivant l'invention permet de réduire les
temps de cémentation aussi bien à température de cémentation usuelle
(930 C) qu'à haute température (980 C), ce qui permet de réduire les coûts
de cémentation (quantité de gaz de cémentation, temps de cémentation,...) et
d'augmenter la productivité pour la fabrication des pièces cémentées.
L'acier suivant l'invention grâce à sa trempabilité maitrisée permet
aussi dê réduire la pression des gaz de trempe pour obtenir une profondeur de
cémentation identique, ce qui permet de réduire encore plus ou de supprimer
les déformations sur pièces cémentées et d'obtenir des gains et des
simplifications sur les technologies de trempe gaz des pièces dans les
enceintes des fours de trempe gaz.
On a aussi procédé à la cémentation sous basse pression
d'éprouvettes de résilience non entaillées (Dimensions : L = 55mm, section
10x1Onnm) à haute température (980 C), d'une part sur l'acier A de référence
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avant une trempe gaz sous une pression de 20 bars, et d'autre part sur l'acier
E
selon l'invention mais ici avant une trempe gaz sous une pression de 1,5 bars
seulement. Les profondeurs cémentées visées étaient identiques, de même
que la nature du gaz de trempe. Les éprouvettes ainsi cémentées et trempées
5 ont été ensuite rompues par choc à température ambiante. Les réultats
d'énergie de rupture ainsi obtenus ont été respectivement de:
- 19 Joules pour l'acier A de référence
- 29 Joules pour l'acier E selon l'invention.
Parallèlement on a cémenté sous basse pression à température
io usuelle (930 C) des éprouvettes de résilience de l'acier A de référence,
pour
obtenir la même profondeur cémentée que ci-dessus. Elles ont ensuite été
trempées avec le même gaz, sous une pression de 20 bars. Ces éprouvettes
ont été rompues comme ci-dessus à température ambiante et l'énergie de
rupture ainsi obtenue a été de 17 Joules, soit très sensiblement moins que
pour
15 l'acier E selon l'invention cémenté à haute température.
Ceci montre que malgré une dureté à coeur de l'éprouvette de l'acier A
de référence (312 HV) plus faible que pour l'acier E selon l'invention (500
HV)
la ténacité de l'acier E cémenté à haute température est plus élevée que celle
de l'acier A de référence cémenté à haute température ou à température
usuelle, pour la même profondeur cémentée finale. En d'autres termes, le fait
d'utiliser un acier selon l'invention pour effectuer une cémentation à haute
température, destinée à obtenir une profondeur cémentée donnée, ne
pénalise pas, bien au contraire, la ténacité de pièces cémentées réalisées
avec
cet acier par rapport à l'utilisation d'un acier de référence, cémenté
également
à haute température ou à température de cémentation usuelle pour obtenir la
même profondeur cémentée. L'écart de dureté à coeur entre les 2 aciers n'est
pas pénalisant de ce point de vue. Ceci montre également que les aciers selon
l'invention sont particulièrement adaptés à la cémentation à haute
température,
à la fois pour réduire les temps de cémentation, augmenter la productivité et
réduire les coûts de cémentation, par rapport aux aciers connus cémentés à
température usuelle ou à haute température. Les propriétés d'usage obtenues
sur pièces, telles la ténacité, ne sont pas dégradées par rapport aux aciers
de
référence.
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On a aussi procédé dans les conditions déjà précisées à la
cémentation sous basse pression à haute température (980 C) d'éprouvettes
de fatigue-flexion de l'acier E selon l'invention comportant en leur centre
une
entaille en U évasée. Elle a été suivie d'une trempe gaz sous pression de 1,5
Dans ces conditions, la limite d'endurance à 10 millions de cycles de
l'acier E suivant l'invention a été de 1405 MPa, et celle de l'acier A de 1165
Cela montre que le fait d'utiliser un acier selon l'invention pour effectuer
une cémentation à haute température, destinée à obtenir une profondeur
cémentée donnée, ne pénalise pas la tenue en fatigue-flexion, mais au
contraire lui est très favorable par rapport à une cémentation conventionnelle
Il convient d'ajouter ici que ces essais de fatigue-flexion sont destinés
à simuler la tenue en fatigue d'un pied de dent de pignon, engrenage ou pièce
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les propriétés d'usage obtenues sur pièces telle la tenue en fatigue-flexion
en
pied de dent d'un pignon ou engrenage cémenté.
