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WO 2013/011228
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Procédé de refroidissement de pièces métalliques ayant subi un
traitement de nitruration / nitrocarburation en bain de sel fondu,
l'installation pour la mise en oeuvre du procédé et les pièces métalliques
traitées.
L'invention concerne un procédé et une installation de refroidissement
de pièces métalliques ayant subi un traitement de nitruration /
nitrocarburation en bain de sels fondus. L'invention concerne également les
pièces ainsi traitées.
Il est parfaitement connu pour un homme du métier afin de diminuer
le coefficient de frottement et améliorer la résistance à l'usure par adhésion
et abrasion de pièces métalliques, d'utiliser des procédés mettant en oeuvre
une diffusion thermochimique d'azote par nitruration ou nitrocarburation
dans des bains de sels en fusion. Pour l'essentiel, ces bains de sels sont
généralement constitués de cyanate et carbonate alcalin. Lorsque la
température de nitruration est atteinte, le cyanate alcalin libère de l'azote
et
du carbone qui diffusent sur la surface de la pièce. Les temps de traitement
sont généralement compris entre 20 et 180 mn à des températures comprises
entre 400 et 700 C. Ces procédés utilisés industriellement, sont connus par
exemple sous les marques SURSULF ou TENIFER.
On rappelle qu'un procédé de traitement de nitruration/
nitrocarburation comprend les étapes essentielles suivantes :
- dégraissage des pièces,
- préchauffage,
- traitement de nitrocarburation,
- refroidissement,
- rinçage,
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- séchage,
Dans le cas d'alliages ferreux, ce traitement induit généralement la
formation de deux zones caractéristiques : une première zone en surface,
d'épaisseur comprise entre 5 et 30i.tm composée principalement de nitrures e
(Fe2....3n) et de nitrures y' (Fe4N)), appelée zone de combinaison, suivi
d'une deuxième zone, d'épaisseur généralement comprise entre 0,2 et 1,5
mm caractérisée par la présence d'azote en solution solide dans les grains de
fer et sous forme de nitrures d'éléments d'alliages, appelé couche de
diffusion.
Différents procédés de refroidissement alternatifs après le traitement
de nitrocarburation ont été développés afin d'améliorer certaines
caracactéristiques des pièces traitées :
- une amélioration de
la tenue à la corrosion des pièces traitées est
obtenue en substituant au refroidissement par trempe à eau, une
trempe dans un bain de sel oxydant ( 380-420 C). Ce type de
traitement, connu par exemple sous les marques Arcorg ou
AB 1 CD, produit un oxyde de fer noir (Fe304) sur la surface
traitée.
- une
diminution de la fragilité ou une amélioration de la ductilité
des pièces traitées, est obtenue en substituant au refroidissement
par trempe à eau, un refroidissement plus lent de type
refroidissement à l'huile ou encore plus lent par un
refroidissement à l'air. Le refroidissement lent est également
conseillé pour des pièces ne supportant pas de grandes
déformations. Les pièces obtenues sont caractérisées par la
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présence de précipités de nitrure de fer y-Fe4N et a"-Fe16N2,
parallèlement au joint de grains dans la couche de diffusion. La
précipitation est liée à la diminution de la limite de solubilité de
l'azote dans le fer avec la température.
Dans le cas d'un traitement industriel de pièces, ces dernières sont
disposées dans un rack métallique afin de faciliter leur transport, par
exemple, au moyen de robots, entre les différents postes de traitement. Pour
des questions de productivité, le taux de remplissage du rack étant au
maximum, de sorte que les pièces sont susceptibles d'être en contact les
unes avec les autres. Le transfert des pièces depuis le bain de nitruration
jusqu'à la zone de refroidissement s'effectue selon une durée telle, qu'au
contact de l'air ambiant des tâches d'oxydation ou de décoloration
superficielle apparaissent sur la surface d'une partie plus ou moins
importante des pièces traitées. Des essais effectués en laboratoire ont
démontré qu'à partir d'un temps de transfert supérieur à environ 30 secondes,
on observe l'apparition de tâches d'oxydation sur quelques pièces seulement,
tandis qu'à partir d'un temps de transfert de l'ordre 120 secondes, l'ensemble
des pièces sont oxydées. Or, le temps de transfert industriel entre deux zones
de traitements successifs, est généralement compris entre ces deux valeurs.
Il convient de noter également qu'un refroidissement à l'air induit
forcément une oxydation superficielle des pièces.
Il est bien évident que la présence de ces tâches d'oxydation n'est pas
acceptable pour certaines applications. Non seulement, ces tâches sont
nuisibles à l'aspect des pièces , mais également à leur utilisation, notamment
dans le cas d'applications exigeantes en terme de propreté des surfaces. En
effet, les zones oxydées génèrent des poussières qui peuvent créer, en
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présences de lubrifiants, des agrégats, provoquer une usure abrasive
dommageable pour l'application envisagée.
Dans l'état actuel de la technique, les solutions industrielles proposées
ne permettent pas de garantir un traitement de nitruration / nitrocarburation
en bains de sels fondus, avec un niveau de propreté et d'aspect suffisant,
autrement dit sans trace d'oxydation sur l'ensemble des pièces traitées.
A cet égard, il convient de rappeler que le domaine technique de
l'invention concerne un traitement industriel des pièces qui n'est pas
comparable avec un traitement de nitruration / nitrocarburation, effectué à
l'échelle d'un laboratoire où les pièces ne sont traitées qu'en petites
quantités. En laboratoire, il est par conséquent possible, après le bain de
nitruration, de transférer les pièces suffisamment rapidement pour éviter
l'oxydation lors d'un refroidissement à l'eau par exemple.
On conçoit que cela n'est pas possible sur un plan industriel, lorsqu'il
s'agit de traiter simultanément un nombre important de pièces ce qui
engendre un taux de rebus important. Même en réduisant au maximum le
temps de transfert des pièces notamment entre la zone de traitement et la
zone de refroidissement, il s'avère alors nécessaire de procéder à un contrôle
visuel et à un tri unitaire des pièces pour garantir l'absence de traces
d'oxydation.
Le brevet US 3560271 concerne un procédé de nitruration en bains de
sels fondus avec pour objectif de ralentir le refroidissement après
nitruration
afin de limiter le niveau de contraintes pour limiter par conséquent les
risques
de fissuration de la couche. Le refroidissement s'effectue sous vide
uniquement par radiation, ce qui conduit à des temps de refroidissements
difficilement compatible avec un process industriel (de plusieurs heures à
plusieurs dizaines d'heures).
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De plus, l'utilisation d'un tel procédé, ne permet pas de garantir
l'absence totale de trâce d'oxydation dans le cadre du traitement d'un grand
nombre de pièces qui nécessite des temps de transfert relativement élevé
entre le poste de traitement et le poste de refroidissement ( i.e lors du
5 transfert des charges, l'inertie massique impose des phases de
stabilisation
des charges de pièces après décélération notamment lors des transferts
horizontaux, donc des temps de transfert minimum).
Il ressort donc de l'analyse de l'état de la technique, que les solutions
industrielles utilisées ne permettent pas de garantir un traitement de
nitruration / nitrocarburation en bains de sels fondus avec un niveau de
propreté et d'aspect suffisant, autrement dit, sans trace d'oxydation sur une
partie ou l'ensemble des pièces traitées.
On observe également qu'il n'est pas possible, surtout dans le cas d'un
traitement industriel, d'obtenir des pièces présentant à la fois une ductilité
suffisante, et l'absence de trace d'oxydation.
L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients d'une
manière simple, sûre, efficace et rationnelle.
Le problème que se propose donc de résoudre l'invention est de
garantir, dans le cas d'un traitement industriel de pièces métalliques ayant
subi un traitement de nitruration / nitrocarburation en bains de sels fondus,
l'absence de traces de corrosion ¨ oxydation, avec pour objectif, d'améliorer
leur ductilité.
Pour résoudre un tel problème, il a été conçu et mis au point un
procédé de refroidissement de pièces métalliques ayant subi un traitement de
nitruration / nitrocarburation en bain de sel fondu, selon lequel :
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- avant la fin dudit traitement, on remplit en agent réfrigérant, sous
forme
liquide et ayant une forte capacité d'expansion volumique lors de sa
vaporisation, une enceinte agencée pour évacuer l'oxygène contenue
dans ladite enceinte, afin de créer une atmosphère inerte,
- on transfert l'ensemble des pièces traitées dans l'enceinte,
- on ferme l'enceinte,
- on laisse les pièces dans l'enceinte pendant une durée déterminée
pour
atteindre une température selon laquelle le sel se fige et constitue une
barrière de protection,
- on retire les pièces que l'on soumet à une opération de rinçage.
Avantageusement, l'agent réfrigérant est l'azote liquide qui va se
vaporiser très rapidement grâce à la chaleur du bain et des pièces. Une telle
vaporisation va produire un volume de gaz environ 630 fois supérieur, ce qui
va évacuer très rapidement l'oxygène se trouvant à l'intérieur de l'enceinte.
Il en résulte un refrodissement lent au niveau métallurgique du terme, mais
suffisamment rapide pour être compatible avec un process industriel, des
pièces sous atmosphère inerte, leur garantissant un niveau de ductilité sans
risque d'apparition de tâches d'oxydation et par conséquent de risques
d'émission ultérieure de poussières.
Selon une autre caractéristique, on remplit en azote liquide l'enceinte, 2
à 3 min avant la fin du traitement de nitruration / nitrocarburation. A
l'issue
du traitement de nitruration/nitrocarburation on transfère verticalement les
pièces vers l'enceinte remplie en azote liquide à une vitesse minimum de 6
m/mn. Après refroidissement à une température de l'ordre de 350 C, on rince
à l'eau à une température comprise entre 40 et 50 C, puis à l'eau à une
température comprise entre 15 et 25 C.
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Pour la mise en oeuvre du procédé, l'enceinte de refroidissement est
disposée en relation directe avec le poste de nitruration /nitrocarburation en
étant solidaire d'un chariot de transfert pour un transfert rapide de
l'ensemble
des pièces dans ladite enceinte.
Pour résoudre le problème posé d'obtenir un refroidissement lent des
pièces et une saturation extrêmement rapide de l'intérieur de l'enceinte en
azote, sans avoir à faire appel à des systèmes de pompage préalable pour
chasser l'air initialement présent, l'enceinte est constituée par une cloche à
double paroi dans laquelle est injectée l'azote liquide, ladite double paroi
présentant des agencements pour la diffusion de l'azote à l'intérieur de la
cloche.
Selon d'autres caractéristiques, la base de la coche coopère avec des
moyens aptes à donner un libre accès à l'intérieur de ladite cloche pour le
transfert de pièces, et à refermer cet accès pendant la phase de
refroidissement.. Les moyens sont constitués par des portes solidaires d'une
partie du poste de traitement.
L'invention concerne également les pièces ayant subi un traitement de
nitruration / nitrocarburation en bains de sels fondus, selon les
caractéristiques du procédé revendiqué. Plus généralement, l'invention
concerne les pièces métalliques sur lesquelles on observe une absence de
tâche d'oxydation et la présence de précipité de nitrure dans la zone de
diffusion
L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des
dessins annexés dans lesquels :
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- La figure 1 est une vue en coupe à caractère schématique de
l'enceinte sous forme d'une cloche selon les caractéristiques de
l'invention.
- Les figures 2, 3 et 4 sont des vues à caractère schématique
montrant des principales phases du procédé de traitement selon les
caractéristiques de l'invention.
- Les figures 5, 6, 7, 8 et 9 montrent un échantillon de pièces après
un traitement de 60 minutes dans un bain de nitrocarburation
SURSULF (CN- : 4,15% ; CNO- 30,5 %) à 580 C et refroidi selon
l'état antérieur de la technique et dans différentes conditions
(figures 5, 6, 7 et 8) et selon l'invention , c'est-à-dire sous azote
liquide (figure 9) ; à chaque échantillon est associée la coupe
micrographique correspondante.
L'installation pour la nitruration / nitrocarburation en bains de sels
fondus des pièces métalliques n'est pas décrite en détail car parfaitement
connue pour un homme du métier, en étant susceptible de présenter
différentes variantes d'exécution.
L'installation est adaptée pour traiter de manière industrielle les pièces
c'est-à-dire non pas de manière unitaire, mais par lots, en disposant par
exemple lesdites pièces dans un rack métallique afin de faciliter leur
transfert
par robots entre les différents postes de traitement.
Selon l'invention, une enceinte de refroidissement (1) est disposée en
relation directe avec le poste de nitruration / nitrocarburation en étant
solidaire d'un chariot de transfert pour un transfert rapide de l'ensemble de
pièces considérées (P) dans ladite enceinte (1). Comme indiqué, les pièces
(P) sont par exemple disposées dans un rack (R).
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Selon une caractéristique importante de l'invention, l'enceinte (1) est
constituée par une cloche à double parois (la) dans laquelle est injectée de
l'azote liquide. Cette double paroi (la) présente des agencements pour la
diffusion de l'azote liquide à l'intérieur de la cloche (1). Par exemple, la
double paroi (la) présente des chicanes (lb) pour la diffusion de l'azote
liquide au travers d'orifices calibrés (1c). L'alimentation en azote liquide
s'effectue par tous moyens connus et appropriés (2). La cloche (1) est
assujettie au chariot de transfert. L'ouverture de la cloche, située à son
extrémité inférieure, coopère avec des portes (3) et (4) solidaires du poste
de
nitrocarburation.
On renvoie aux figures 2, 3 et 4 qui montrent les principales phases du
procédé à la base des caractéristiques de l'invention. Le traitement de
nitrocarburation en tant que tel, peut par exemple être du type de celui connu
sous la marque SURSULF, TENIFER..... La durée du traitement
généralement comprise entre 20 et 180 mn est typiquement de l'ordre de 50 à
60 minutes. La cloche (1) est disposée au-dessus du bain (T) dans lequel est
trempé l'ensemble de pièces (P) disposées dans le rack (R). Les portes (3) et
(4) sont ouvertes (figure 2).
Quelques minutes, de l'ordre de 2 à 3, avant la fin du procédé de
nitrocarburation, on injecte de l'azote liquide (A) au travers de la double
paroi (la) comme indiqué précédemment, afin d'évacuer très rapidement
l'oxygène se trouvant à l'intérieur de la cloche (1) afin de permettre aux
pièces (P) un refroidissent métallurgiquement lent sous l'atmosphère inerte
(figure 3).
A la figure 4, l'ensemble des pièces (P) est transféré à l'intérieur de la
cloche (1) remplit en azote liquide (A). Le transfert s'effectue à une vitesse
rapide de l'ordre de 6 m/mn. Les portes (3) et (4) sont ensuite refermées en
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vue de l'opération de refroidissement en tant que telle. En fonction de la
masse des pièces, le refroidissement s'effectue pendant une durée déterminée
pour atteindre 350 C environ en l'absence d'oxygène, en observant qu'au-
dessus de cette température, il n'y a plus d'oxydation. Cette durée est
5 typiquement inférieure ou sensiblement égale au temps de traitement par
nitruration ou nitrocarburation des pièces.
A noter que la vitesse de 6 m/mn dépend de la distance entre le niveau
du bain de nitruration et l'entrée dans la cloche ; cette vitesse peut donc
être
10 inférieure ou supérieure suivant les cas : plus la vitesse est élevée ,
plus les
résultats seront corrects .
Après ce refroidissement, on procède à un rinçage de l'ensemble des
pièces, lequel rinçage peut être effectué dans une eau portée à une
température de 40 à 50 C, puis à une eau portée à une température de l'ordre
de 20 C.
On renvoie aux figures 5, 6, 7, 8, et 9 qui montrent les résultats
obtenus sur des pièces traitées selon les solutions de l'état antérieur de la
techniques, figures 5 à 8, et selon l'invention figure 9.
Aux figures 5, 6, 7, et 8, le refroidissement est effectué selon l'état
antérieur de la technique par un trempage des pièces dans l'eau soit
immédiatement après le traitement de nitruration/nitrocarburation (impossible
dans des conditions industrielle), figure 5, soit après une durée plus ou
moins
longue après le traitement, à savoir 30 secondes après le traitement (figure
6),
60 secondes après le traitement (figure 7) et 120 secondes après le traitement
(figure 8).
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A la figure 5, on constate l'absence de taches d'oxydation sur les
pièces et une absence de précipités de nitrure dans la couche de diffusion.
Aux figures 6, 7 et 8, on observe l'apparition de tâches d'oxydation (tâches
brunâtres) et surtout une augmentation nette du nombre de zones oxydées
avec l'augmentation du temps entre la sortie du bain et la trempe à l'eau.
Parallèlement à l'apparition de ces zones oxydées, on peut observer
sur les coupes micrographiques l'apparition d'un nombre croissant de
précipités de nitrure de fer, parallèlement au plan des joints de grains. Une
telle apparition est caractéristique d'un refroidissement lent et est lié à la
diminution de la limite de la solubilité en azote avec la température.
Il ressort donc des essais effectués dans les conditions relevant des
figures 6, 7 et 8 que le refroidissement par eau après nitruration /
nitrocarburation ne permet pas d'obtenir, de manière industrielle, des pièces
propres ductiles, c'est-à-dire sans trace d'oxydation et avec la présence de
précipités de nitrure dans la zone de diffusion.
Selon l'invention, le refroidissement à l'azote liquide, figure 9,
montre clairement l'absence de traces d'oxydation superficiel et la présence
de précipités de nitrure, avec par conséquent des propriétés mécaniques
améliorées.
On renvoie au tableau ci-après qui montre la mesure de dureté (Rq :
mesure de rugosité n'apporte rien) sur des pièces après 60 minutes de
traitement dans un bain de nitrocarburation (CN- : 4,15% ; CNO- 30,5 %) à
580 C, selon les conditions d'essai effectués et montrés aux figures 5 à 9
c'est-à-dire refroidissement par trempe à l'eau immédiatement après la
sortie du bain de traitement (colonne A), trempe à l'eau 30 secondes après la
sortie du bain de traitement (colonne B), trempe à l'eau 60 secondes après
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traitement (colonne C), trempe à l'eau 120 secondes après traitement
(colonne D), et refroidissement sous azote liquide (colonne E).
A B C D
Dureté 295 265 230 170 190
(Hv0,1) à
201.1m sous
couche de
combinaison
Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on
souligne et on rappelle :
- par rapport à un refroidissement à l'eau, le procédé selon l'invention
améliore la ductilité des pièces et limitent les risques de déformation par un
refroidissement lent.
- par rapport à un refroidissement à l'air ou à l'eau dans le cas d'un
procédé industriel, le procédé selon l'invention garantit un aspect correct
des
pièces résultant d'une absence de traces de corrosion après traitement,
améliorant par conséquent leur état de propreté.
