Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
La pr~sente inventlon concerne un procédé de traite-
ment thermique de l'acier et de contrôle dudit traitement.
Plus pr~cisément, la présente invention concerne es-
sentiellement un procédé de traitement thermique de l'acier,
tel que le chauffage avant trempe, le recuit, la cémentation
(carburation ou carbonitruration), effectué dans un four en
présence d'une atmosphère en écoulement continu obtenue en
mélangeant un gaz porteur incluant de l'azote et éventuelle-
ment de l'hydrogène avec un gaz actif constitué par un hydro-
carbure avec une proportion en volume d'hydrocarbure compri-
se entre 0,2 et 30% dudit mélange.
La mise en oeuvre de ce procédé connu peut présenter
certaines difficultés, notamment dans le cas de cémentation de
pièces présentant des alésa~es profonds ou encore de pièces de
formes complexes. Il peut se produire, en effet, au fond de
ces alésages ou autres parties en creux difficilement acces-
sibles, de légers dépots de suies pr~judiciables a la qualité
du produit fini.
Un but de la présente invention est d'éviter les dif-
ficultés sus-mentionnées et de permettre une c~mentation des
pièces meme réputées difficiles, qui soit homogène et exempte
de suies.
Les expériences faites pour la recherche de ce but
ont permit de découvrir que le rôle de l'oxyde de carbone est
primordial dans le transfert des a~omes de carbone de l'atmos-
phère vers le métal. En effet, l'oxyde de carbone permet de
réaliser une cémentation à la surface de la pièce métallique
par un effet de double couche. L'oxyde de carbone est absor-
bé sous forme d'une liaison métallique carbone-métal permet-
tant de couvrir toute la surface, même dans les parties lesmoins accessibles, des pièces réputées difficiles telles que
,. ~
`` ~146~. ~
les alésages profonds ou les creux des pièces de formes com-
plexes. L'hydrocarbure présent dans l'atmosphère peut ensuite
former une double couche par une liaison avec les radicaux
oxyde de carbone absorbés. Il s'ensult un passage continu
des atomes de carbone ainsi pontés par la double couche, ce
qui permet une cémentation homogène sur toutes les parties
des pièces traitées.
L'expérience a montré également qu'il importe d'ex-
clure toute trace d'oxygene résiduel dans l'atmosphère, ceci
pour éviter une destab.ilisation de la double couche sus-men-
tionnée. Les molécules d'oxygène entraînent en effet la for-
mation, autour d'elles de noyaux d'hydrocarbures en phase ga-
zeuse et empêchent de ce fait l'approvisionnement en hydrocar-
bure de la double couche ~ormée à la surface du métal, ce qui
se traduit sur les pièces par des zones insuffisamment riches
en ~arbone, c'est-à-dire des hétérogénéités de cémentation.
On sait par ailleurs que l'azote industriel ordinaire
contient des quantités non négligeables (pouvant atteindre 2%)
d'oxygène, de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau et l'exp~-
rience a montr~ encore que c'est cet oxygène apporté directe-
ment par l'azote industriel ordinaire, ou provenant de la dé-
composition du dioxyde de carbone ou de la vapeur d'eau qu'il
véhicule, qui destabilise la double couche décrite ci-dessus.
Le but sus-mentionné est atteint par le procédé selon
la présente invention essentiellement par le fait qu'on réalise
ladite atmosphère en mélangeant au gas porteur précité, cons-
titué par de l'azote ou contenant de l'azote ayant une teneur
en 2 C 10 ppm, une teneur en H2O c 10 ppm et une teneur en
C2 C 10 ppm, un hydrocarbure choisi parmi l'un des compos~s
4' 4 10' C3H8~ C2H4~ C2H2~ C2H6 et de l~oxyde de
carbone, la proportion d'oxyde de carbone dans le mélange
.,. l
,~ 2-
, . .
total étant comprise entre 0,1 et 30% en volume et la tempé-
rature de l'acier étant comprise entre 750 et 1150C.
L'utilisation d'azote ayant une teneur en 2 C
10 ppm, une teneur en CO2 C 10 ppm et une teneur en H20 C
10 ppm ~qui correspond à une point de rosée de - 60C environ),
c'est-à-dire d'azote ayant la pureté industrielle, assure
1'obtention d'une atmosphère exempte d'oxygène; 1'oxyde de
carbone que contient cette atmosphère peut jouer pleinement
son rôle, c'est-à-dire faciliter le passage dans le métal des
atomes de carbone des hydrocarbures, ce qui a pour conséquence
une cémentation, plus précisérnent une carburation, homogène et
sans dépôts de suies quelle que soit la configuration des piè-
ces traitées.
La valeur du pourcentage en oxyde de carbone du mé-
lange total, comprise dans la gamme 0,1 à 30%, est choisie en
fonction des caractéristiques de l'acier de la pièce traitée,
de la température du traitement, elle-même fonction, en partie
au moins, des caractéristiques de cet acier, et de la configu-
ration de la pièce traitée, c'est-à-dire du rap~ort entre
l'aire de sa surface totale et son volume, le pourcentage de
Co devant etre, pour ce dernier paramètre, d'autant plus im-
portant que ledit rapport est plus élevé.
Selon une autre caract~ristique de l'invention l'oxy-
de de carbone peut être introduit dans le mélange précité
sous forme de gaz pur ou encore sous forme d'un mélange par-
tiel azote-oxyde de carbone à l'état gazeux ou liquide.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention
1'oxyde de carbone provient de la d~composition à chaud du m~-
thanol selon la réaction CH3 OH ~ CO ~ 2 H2, ledit méthanol
étant introduit dans le mélange pr~écité.
La décomposition du méthanol selon la réaction pré-
.
~f~6 ~
citée est celle qui se produit pratiquement exclusivement
dans la gamme des températures 700 - 1150C qui inclut l'in-
tervalle de température du traitement~
Dans le cas d'une carbonitruration, ladite atmosphère
est réalisée en mélangeant au gaz porteur, outre l'hydrocarbu-
re et 1'oxyde de carbone précités, de l'ammoniac en propor-
tion de 0,1 à 30% en volume.
On obtient ainsi des pièces ayant une carbonitrura-
tion homogène et sans dépôts de suies quelle que soit la con-
figuration des pièces traitées.
La valeur du pourcentage en ~H3 est choisie en fonc-
tion de l'acier traité et du degré de nitruration désire.
Il est à noter par ailleurs que le fait d'introduire
dans le four une atmosphère pratiquement exempte d'oxygène,
de vapeur d'eau et de gaz carbonique, permet une réaction mo-
lécules à molécules entre le gaz carbonique ou l'eau formés
par la réaction de cémentation et l'hydrocarbure selon les
réactions suivantes (l'hydrocarbure étant supposé être CH4)~
2 C0 -~ C + C02 et C02 ~ CH4 -~ 2CO ~ 2H2
~2 + Co --3C ~ H20 H O ~ CH CO ~ 3H
ce qui conduit à des contrôles très stricts en H2O, C02 et
CH4 en sortie du four qui caractérisent réellement et très
exactement la situation de carburation in situ.
L'invention vise ~galement un procédé de contrôle du
traitement thermique decrit ci-dessus, c'est-à-dire effectué
dans un four en présence d'une atmosphère en ~coulement conti
nu obtenue en m~langeant un gaz porteur incluant de l'azote
et éventuellement de l'hydrogène avec un gaz actif constitué
par un h~drocarbure auquel on additionne du CO.
Ce procédé de contrôle est caractérisé par le fait
qu'on mesure la teneur résiduelle en hydrocarbure, en vapeur
34~.
d'eau et en gaz carbonique de l'atrnosphère sortant du four,
on détermine, en utilisant des abaques préétablis qui donnent
une relation entre les teneurs résiduelles en hydrocarbure,
vapeur d'eau et gaz carbonique et les taux de carbone de
l'acier, la teneur en hydrocarbure de 17atmosphère entrant
dans le four qui est nécessaire pour l'obtention du taux de
carbone désiré et on règle le débit d'hydrocarbure entrant
dans le four pour obtenir les teneurs précitées à la sortie
du four et par conséquent ledit taux de carbone désiré.
Un tel procédé de contrôle permet donc de pi-
loter le traitement de facon à empêcher que se forment,
dans le four, du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau
dont la présence était soigneusement évitée dans l'atmos-
phère entrant dans le four, il permet par conséquent, d'ob-
tenir un produit final ayant les caractéristiques désirées.
L'invention concerne donc un procédé de trai-
tement thennique de l'acier dans un four comprenant les
étapes suivantes: on constitue un mélange dlun gaz porteur,
un gaz actif et de l'oxyde de carbone, le gaz acti~ incluant
de l'azo~e et ayant une teneur en 2 <10 ppm, une teneur en
H2O <lC ppm ~t une teneur en C02< 10 ppm, ledit gaz actif
contenant un hydrocarbure en proportion de 0,2 à 30/O en
volume, choisi parmi l'un des composés suivants: CH4, C4Hlo,
C3H8~ C2H4, C2H2 et C2H6, la proportion d'oxyde de carbone
dans le mélange étant comprise entre 0,1 et 30% en volume,
on introduit de fa,con continue un courant constant dudit
mélange dans le four, on maintient l'acier dans le four à
une temperature comprlse entre 750 et 1150C, on mesure la
teneur résiduelle en hydrocarbure, en vapeur d'eau et en gaz
carbonique de l'atmosphère sortant du four; on détermine,
.. ..
en utilishnt des abaques préétablis qui donnent une relation
entre les teneurs résiduelles en hydrocarbure~ vapeur d'eau
et gaz carbonique et les taux de carbone de l'acier, la
teneur en hydrocarbure de l'atmosphère entrant dans le four
qui est nécessaire pour l'obtention du taux de carbone désiré;
et on règle le débit d'hydrocarbure entrant dans le four pour
obtenir les teneurs précitées à la sortie du four et par
conséquent ledit taux de carbone désiré.
L'invention vise également les aciers obtenus
par le procédé de traitement sus-mentionné.
Divers essaisportant sur différents types de
traitement (carburation, carbonitruration, chauffage avant
trempe~ ont été effectués sur des aciers de compositions
différentes, les atmosphères entrant dans le four étaient
formées d'une facon générale d'azote industriellement pur,
d'un au moins des hydrocarbures précités, éventuellement
d'hydrogène, composants auxquels était ajouté soit de
l'oxyde de carbone, soit du méthanol. Dans le cas d'une
carbonitruration, l'atmosphère contenait en outre de
l'ammoniac.
En-ce qui concerne les températures de trai-
tement, comprises dans l'intervalle 750-1150C sus~mentionné,
i1 a été observé que 1'introduction de NH3, entraînait un
ahaissement des températures pré~érentielles dans la partie
basse (750 - 1050C) dudit intervalle.
-5a-
Dans chacun des essais, le ~raitement était contrô-
lé en mesurant la teneur résiduelle en hydrocarbure, CO2 et
H2O de l'atmosphère sortant du four et en réglant le débit
d'hydrocarbure introduit dans l'atmosphère entrant dans le
four pour l'obtention de l'activité carburante désirée,
c'est-à-dire en pilotant l'addition d'hydrocarbure à l'entrée
du four. Pour permettre ce contrôle, des abaques avaient été
précédemment établis qui donnaient une relation entre d'une
part la teneur résiduelle en hydrocarbure, la teneur rési-
duelle en H2O, la teneur r~siduelle en CO2 à la sortie du
four et d'autre part la quantit~ de carbone introduite dans
l'acier. La lecture de ces abaques permet le r~glage du po-
tentiel carbone comme indiqué ci-dessus.
On donnera ci-apres quelques exemples des essais ef-
fectués dans chacun desquels seront indiqués le traitement
effectué, la matière de l'acier trait~ et la composition des
atmosphères d'entrée et de sortie du four.
EXEMPLE_l - (carburation)
Des pièces en acier 20NCD2 (Norme AFNOR) ont été
traitées pendant 4 h 30 à 900~C dans un four type batch dans
lequel était introduite une atmosphère azote-hydrogène-
méthane-oxyde de carbone~ Les compositions des atmosphères
à l'entrée et à la sortie du four étaient les suivantes:
Entrée Sortie
47 % N2 31 % H2
30 % H2 18 % CO
8 % CH4 2 % CH4
15 % CO 0,17 % H2O
0,08 % CO2
Reste N2
La dureté de la couche carburée puis trempée à
-~r -6-
l'huile était de 60 Rockwell dans l'échelle C. La profondeur
carburée atteignait 0,7 mm avec un carbone en surface de 0,8 %
sans austénite résiduelle ni carbures.
EXEMPLE 2 - (carburation)
Des pièces en acier 16 CD4 (Norme AFNOR) ont été trai
tées pendant 2 heures à 900C dans un four type batch dans le-
quel était introduite une atmosphère d'azote-propane-m~thanol
(ce dernier se décomposant en oxyde de carbone et hydrogène).
La composition des atmosphères d'entrée et de sortie était la
suivante:
Entré~ Sortie
55 % N2 28 % H2
1 % C3H8 13,7 % CO
44 % CH3OH 0,8 % CH4
0,34 % H2O
0,1 % C2
Reste N2
Des mesures de dureté faites sur des pièces trempées
à l'huile après traitement ont donne des valeurs de 87 Rock-
well dans l'échelle A. La profondeur carburée atteignait 0,4mm avec un carbone en surface de 0,8 %.
EXF~PLE 3 - (carbonitruration)
Des pièces en acier 27CD4 (Norme AF`NOR) ont ét~ trai-
tées pendant 4 heures à 870C dans un four hatch dans lequel
était introduite une atmosphère azote-hydrogène-méthane-oxyde
de carbone-ammoniac.
Les compositions des atmosphères d'entrée et de sortie
du four étaient les suivantes:
~g.~
Entrée Sortie
59,3 % N2 28 % H2
22 % H2 11,6 % Co
7 % CH~ 3,4 % CH4
11 % CO 0'34 % ~2
0,7 % NH3 0,2 % C02
Reste N2
Des mesures de dureté faites sur des pièces trempées
à 1'huile vnt donné des valeurs de 857 Vickers en HV50g. La
profondeur carbonitrurée atteignait 0,4 mm à 650 HVl kg.
EX~IPLE 4 - (carbonitruration)
Des pièces en acier 38C2 (Norme AFNOR) ont été trai-
tées pendant 3 heures et 15 minutes à 890C dans un four batch
dans lequel était introduite une atmosphère azote-méthane-
méthanol-ammoniac.
Les compositions des atmosphères d'entrée et de sor-
tie du four ~taient les suivantes:
Entrée Sortie
50 % ~2 29,4 % H2
2,5 % CH4 15 % CO
47 % CH30~ 1,6 % OEI4
0,5 % NH3 0,24 % H2O
0,15 % CO2
Reste N2
~ es mesures de dureté faites sur des pièces trempéesà l'huile après traitement ont donné des valeurs de 62 Rock~
well dans l'échelle C~ La profondeur carbonitrur~e atteignait
O,48 mm à 650 HV 1 kg. La profondeur totale cément~e était
de 0,70 mm.
EXEMPLE S - (chauffage avant trempe3
Des pièces en acier 30CD4 (Norme AFNOR) ont été trai-
: -8-
tées pendant 2 heures à 850C en four batch de trempe, en at-
mosphèr~ azote-méthanol.
Les compositions des atmosphères d'entré~ et de sor-
tie du four étaient les suivantes:
Entrée Sortie
70 % ~2 20 % H2
30 % CH3OH 9 % CO
0,4 % CH4
0,45 % H2O
0,6 % CO2
Reste N2
Les pièces trempées ne présentaient ni carburationni décarburation. Le potentiel carbone de l'atmosphère mesuré
par un clinquant était de 0,30% C.
EXEMPLE 6 - (carburation comparative)
Des essais ont été effectu~s d'autre part sur des
pièces en acier 20NCD2, pendant 5 heures 30 minutes à 900C
avec deux atmosphères l'une du type décrit dans l'exemple 1,
c'est-à-dire contenant 15% de C0, l'autre identique mais sans
CO. Ces pièces présentaient des gorges ou alésages ayant une
largeur de 3 mm environ, et une profondeur également de 3 mm
environ. Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau
suivant:
Profondeur cé~entée Atmosphère de car- Atmosphère de car-
en mmburation sans CO buration avec CO
_ .
Flanc de pièce 1 mm 1,1 mm
__ _ _
Fond de gorge 0,6 mm 0,85 mm
La profondeur carburée à flanc de pièce est augmen-
tée ainsi que celle à fond de gorge. De plus, l'homogénéit~
de traitement est meilleure avec un écart relatif beaucoup
_g _
plus sat.is~aisant.
L'invention nlest nullement limitée aux e~emples d~-
crits ci-dessus qui n'ont ~té donnes qu'à titre illustratif
mais non limitatif~
--10--
