EP0707661B1 - Procede pour la nitruration a basse pression d'une piece metallique et four pour la mise en uvre dudit procede - Google Patents
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/24—Nitriding
- C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces
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- C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
- C23C8/38—Treatment of ferrous surfaces
Definitions
- the present invention relates to a method for nitriding at low pressure of a metal part, by steel example, to improve its properties mechanical on the surface and, in particular, its resistance to wear.
- nitriding in salt baths we know that it exists on time current at least three types of treatment allowing to carry out this nitriding, namely: nitriding in salt baths, ionic nitriding and gas nitriding.
- Nitriding in a salt bath is a technique particularly polluting and dangerous due to toxic gas discharges and rinsing water it generates. In addition, it imposes on the workforce difficult working conditions. This is the reason which this technique tends to disappear.
- Ion nitriding involves an installation relative vacuum heat treatment, specially equipped so as to generate on the parts to be treated a glow discharge in a gas atmosphere nitriding.
- This technique has the disadvantage of being relatively expensive and not suitable for parts of complex shape and, in particular, of shape tubular, due to cathode phenomena dig.
- Gas nitriding involves bringing the parts to a treatment temperature of the order of 500 ° C to 600 ° C, and sweep them with nitriding gas, such as ammonia, associated with a compound accelerating the catalytic dissociation of ammonia, at pressure atmospheric.
- nitriding gas such as ammonia
- Such treatment which is described in European patent application No. 0 089 885, presents the disadvantage of being relatively long and consuming large amounts of process gas. For this same reason, this type of treatment is also polluting.
- the invention more particularly aims to eliminate these drawbacks.
- the above-mentioned catalyst may consist of nitrous oxide (N 2 O), carbon monoxide (CO), or even their hydrocarbon such as methane or propane.
- the nitriding power of mixture and, therefore, the type or nature of the nitrided combination layer obtained, as well as the quality of the diffusion layer can be checked by diluting the gas mixture with an amount of nitrogen molecular variable depending on the desired result (elimination of iron carbonitrides in the network which weaken the room). This dilution allows in particular avoid or limit the formation of a layer of so-called white layer combination.
- the process of diffusion of nitrogen in the layer surface of the metal constituting the parts to be treated is further improved by the depassivation phase prior.
- This depassivation phase can be obtained by injecting a passivation gas composed for example of ammonia and / or hydrogen, the room temperature then being greater than one threshold temperature of the order of 400 ° C.
- the depassivation treatment may start during the temperature rise phase of parts and may continue during the keeping parts at processing temperature (between 500 ° C and 600 ° C).
- this depassivation could be performed by generating a discharge on the parts luminescent in an atmosphere of hydrogen and argon at low pressure.
- the oven allowing the implementation of the process previously described preferably consists of an oven of the type used for low carburization pressure which includes an enclosure, for example double walls, constantly cooled, a refractory flask, housed inside the enclosure, which delimits a laboratory inside which the parts to be treated can be placed, heating means by radiation arranged inside the laboratory and process gas injectors passing through the enclosure and the muffle to lead inside the laboratory.
- an enclosure for example double walls, constantly cooled, a refractory flask, housed inside the enclosure, which delimits a laboratory inside which the parts to be treated can be placed
- heating means by radiation arranged inside the laboratory and process gas injectors passing through the enclosure and the muffle to lead inside the laboratory.
- means are also provided for generate in the enclosure a relative vacuum and means for adjusting the process gas flow.
- this type of oven provides surprising results mainly due to the fact that it allows to generate a flow inside the laboratory continuous and homogeneous process gas arriving on the parts to be treated at a relatively temperature low, below the dissociation temperature. This is due to the fact that between the cooled wall of the enclosure and the muffle, the temperature stays at a level relatively low and that intense heat exchange which are mainly effected by radiation affect only the interior volume of the laboratory, i.e. areas relatively close to the parts to be treat.
- the process gases do not reach the processing temperature when in contact with the parts to treat. Therefore, a significant part of the nitrogen active released during this dissociation acts on parts to be treated even before the phenomenon of recombination of active nitrogen into molecular nitrogen could happen.
- the gases resulting from this dissociation are then sucked up by the means used to generate the relative vacuum inside the oven.
- the oven used is of the "cold wall” type, that is to say that it comprises a sealed enclosure 1 with double walls 2, 3 between which circulates a cooling fluid such as water. Thanks to this feature, the oven has low thermal inertia and therefore cooling rates significantly higher than those obtained in an oven with hot walls. This point is essential when dealing with nuances of steel susceptible to precipitation corrosion intergranular.
- a muffle 4 of refractory material which delimits a volume V constituting the laboratory, inside from which the parts 5 are placed on a support 6 carried through the bottom of the enclosure 1.
- the rooms can be arranged in bulk on several mesh elements arranged one above the other.
- the heating of 5 pieces inside the laboratory is provided by heating resistors 7 connected to a circuit external power supply.
- the oven is also equipped a gas circulation turbine which can be used in particular to accelerate the cooling of the interior volume of enclosure 1. This cooling is usually obtained by introduction of an inert gas (nitrogen or nitrogen hydrogenated) at a pressure below the pressure atmospheric, the convection of this gas being ensured by the turbine 8.
- an inert gas nitrogen or nitrogen hydrogenated
- the admission of the treatment gases inside the oven is ensured by a gas injection circuit 11 supplied from gas sources S 1 , S 2 , S 3 by means of a mixer-regulator of flow 12.
- the oven can also be equipped with treatment means by ion bombardment involving for example a high voltage electric generator connected to the enclosure wall and the support structure of the parts to be treated.
- treatment means by ion bombardment involving for example a high voltage electric generator connected to the enclosure wall and the support structure of the parts to be treated.
- these processing means can be used to perform plasma assisted stripping.
- the invention is not limited to such a provision: Indeed, the injection could be performed in another location, inside the laboratory, possibly inside the rooms to treat (tubular).
- the conduit injection can pass into the support structure 6, aspiration then takes place at another location from the oven, preferably in a location where to obtain an axial flow of process gas.
- the injection pipe or the suction pipe may be extended by an injection nozzle or a suction nozzle of suitable shape for example for inject or aspirate inside a tubular.
- the nitriding gas mixture used may consist of a mixture consisting of ammonia (NH 3 ), nitrous oxide (N 2 O) and nitrogen (N 2 ).
- NH 3 ammonia
- N 2 O nitrous oxide
- N 2 nitrogen
- hydrogen (H2) and argon (Ar) can also be used.
- the base mixture consists of 95% to 97% NH 3 and 5 to 3% N 2 O, depending on the grades of steel treated.
- the processing temperature can vary between 500 and 600 ° C depending on the nuances treated and the specifications charges.
- Figure 2 shows the different successive phases a nitriding treatment at low pressure, according to the method according to the invention.
- a high vacuum is applied to the oven at a pressure of the order of 10 -2 mbar, in order to obtain purging of the oven.
- the parts are then heated to a pressure of 10 -2 mbar (temperature rise phase) for a period T 1 .
- the actual depassivation phase is then carried out by maintaining the parts at the treatment temperature, under this partial pressure of ammonia for a period T 2 .
- the nitriding phase itself is started by injecting the treatment gas onto the parts to be treated. During this nitriding phase which continues during the period T 3 , the temperature and pressure conditions are maintained.
- the nitriding cycle ends with a rapid cooling phase, thanks to an injection of inert cooling gas (nitrogen or hydrogenated nitrogen), the circulation of this gas being ensured by the turbine (period T 4 ).
- inert cooling gas nitrogen or hydrogenated nitrogen
- An important advantage of the process described above is that, thanks to the fact that the treatment is performed at low pressure, it is possible to obtain a rapid regulation of the nitriding potential: effect, to purge the oven and inject a different mixture (more or less rich in nitrogen) for vary this potential in a few minutes, which is not possible with conventional methods.
- gaseous releases caused by the nitriding at low pressure are very low and are easily treatable compared to releases generated by salt baths and rinsing water necessary for nitriding treatments in salt baths.
- working conditions as well as job security work are of better quality.
- the process according to the invention uses less expensive means. he allows, in particular on tubulars, treatments that cannot be carried out ionically due to hollow cathode phenomena. It also allows the carrying out bulk treatments (impossible in ionic) thereby reducing the cost of preparing the charge.
- the process according to the invention improves the treatment of very long tubulars by injecting the mixture gas directly into the tubulars.
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Description
La présente invention concerne un procédé pour la
nitruration à basse pression d'une pièce métallique, par
exemple en acier, en vue d'améliorer ses propriétés
mécaniques en surface et, en particulier, sa résistance à
l'usure.
D'une façon générale, on sait qu'il existe à l'heure
actuelle au moins trois types de traitement permettant
d'effectuer cette nitruration, à savoir : la nitruration
en bains de sels, la nitruration ionique et la
nitruration gazeuse.
La nitruration par bain de sel est une technique
particulièrement polluante et dangereuse en raison des
rejets de gaz toxiques et des eaux de rinçage qu'elle
engendre. En outre, elle impose à la main-d'oeuvre des
conditions de travail difficiles. C'est la raison pour
laquelle cette technique tend à disparaítre.
La nitruration ionique fait intervenir une installation
de traitement thermique sous vide relatif, spécialement
équipée de manière à engendrer sur les pièces à traiter
une décharge luminescente dans une atmosphère de gaz
nitrurant. Cette technique présente l'inconvénient d'être
relativement coûteuse et de ne pas convenir pour des
pièces de forme complexe et, en particulier, de forme
tubulaire, et ce, en raison des phénomènes de cathode
creuse.
La nitruration gazeuse consiste à porter les pièces à une
température de traitement de l'ordre de 500°C à 600°C, et
de les balayer avec un gaz de nitruration, tel que de
l'ammoniac, associé à un composé accélérateur de la
dissociation catalytique de l'ammoniac, à la pression
atmosphérique. Un tel traitement, qui se trouve décrit
dans la demande de brevet européen N° 0 089 885, présente
l'inconvénient d'être relativement long et de consommer
de grandes quantités de gaz de traitement. Pour cette
même raison, ce type de traitement est également
polluant.
Pour tenter de réduire les quantités de gaz de traitement
mises en jeu, on a également proposé d'effectuer le
traitement à basse pression, à l'intérieur d'un four de
traitement thermique sous vide. Toutefois, dans ce cas,
on se heurte au fait qu'à la température de traitement,
l'ammoniac subit une dissociation, puis une recombinaison
des atomes d'azote actifs en azote moléculaire.
Il est clair que ce processus de recombinaison va à
l'encontre du but recherché, puisque seule une faible
fraction du gaz injecté composée d'azote actif qui a
échappé à la recombinaison pourra interagir avec le métal
de la pièce à traiter pour obtenir le phénomène de
nitruration.
L'usage de moyens tels qu'une canne d'injection
constamment refroidie qui permettent d'éviter que le gaz
de traitement n'atteigne la température de traitement
avant d'être à proximité immédaite de la pièce n'est
possible que dans un nombre très limité de cas et ne
convient pas bien notamment dans le cas de pièces
tubulaires. Tel est le cas dans le procédé décrit dans le brevet français
N° 2 674 618.
L'invention a plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients.
Elle propose à cet effet un procédé de traitement selon lequel le processus de
nitruration est réalisé dans un four en portant les pièces à une température de
traitement de l'ordre de 500° C à 600° C, dans une atmosphère à basse
pression, avec injection sur les pièces d'un gaz de traitement.
Selon l'invention ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend les phases
successives suivantes :
- une phase de purgeage à une pression égale ou inférieure à 10-2 mbars,
- une phase de dépassivation,
- une phase de traitement comprenant l'injection dans le four d'un gaz de traitement consistant en un mélange gazeux comprenant au moins de l'ammoniac, ainsi qu'un catalyseur favorisant la dissociation de l'ammoniac au contact des pièces à traiter, et s'opposant à la recombinaison de l'azote actif provenant de cette dissociation en azote moléculaire, cette phase de traitement s'effectuant à la température de traitement, à une pression régulée à une valeur comprise entre 200 et 400 mbars, déterminée en fonction de la nature du traitement, avec un taux de renouvellement constant de l'atmosphère gazeuse, le gaz de traitement injecté étant dilué dans une quantité d'azote moléculaire variable afin de contrôler le pouvoir nitrurant du mélange et les nuances de la couche nitrurée.
Avantageusement, le susdit catalyseur pourra consister en du protoxyde
d'azote (N2O), en de l'oxyde de carbone (CO), voire même en leur
hydrocarbure tel que du méthane ou du propane.
Comme précédemment mentionné, le pouvoir nitrurant du
mélange et, en conséquence, le type ou la nature de la
couche nitrurée de combinaison obtenue, ainsi que la
qualité de la couche de diffusion pourront être contrôlés
en diluant le mélange gazeux dans une quantité d'azote
moléculaire variable en fonction du résultat recherché
(élimination des carbonitrures de fer en réseau qui
fragilisent la pièce). Cette dilution permet notamment
d'éviter ou de limiter la formation d'une couche de
combinaison dite couche blanche.
Le processus de diffusion de l'azote dans la couche
superficielle du métal constituant les pièces à traiter
est en outre amélioré grâce à la phase de dépassivation
préalable. Cette phase de dépassivation peut être obtenue
en effectuant une injection d'un gaz de dépassivation
composé par exemple d'ammoniac et/ou de l'hydrogène, la
température des pièces étant alors supérieure à une
température de seuil de l'ordre de
400°C. En réalité, le traitement de dépassivation pourra
débuter pendant la phase de montée en température des
pièces et pourra se poursuivre pendant la phase de
maintien des pièces à la température de traitement (entre
500°C et 600°C). Bien entendu, dans le cas où le four est
équipé de moyens permettant d'effectuer un traitement par
bombardement ionique, cette dépassivation pourra être
effectuée en engendrant sur les pièces une décharge
luminescente dans une atmosphère d'hydrogène et d'argon à
basse pression.
Le four permettant la mise en oeuvre du procédé
précédemment décrit consiste, de préférence, en un four
du type de ceux utilisés pour la cémentation à basse
pression qui comprend une enceinte, par exemple à double
parois, constamment refroidie, un moufle réfractaire,
logé à l'intérieur de l'enceinte, qui délimite un
laboratoire à l'intérieur duquel les pièces à traiter
peuvent être placées, des moyens de chauffage par
rayonnement disposés à l'intérieur du laboratoire et des
injecteurs de gaz de traitement traversant l'enceinte et
le moufle pour déboucher à l'intérieur du laboratoire.
Bien entendu, des moyens sont également prévus pour
engendrer dans l'enceinte un vide relatif et des moyens
de réglage du débit du gaz de traitement.
Il s'avère que contrairement aux préjugés défavorables
résultant du coût élevé et des risques de corrosion de
l'installation, ce type de four permet d'obtenir des
résultats surprenants principalement dus au fait qu'il
permet d'engendrer à l'intérieur du laboratoire un flux
continu et homogène de gaz de traitement qui arrive sur
les pièces à traiter à une température relativement
basse, en dessous de la température de dissociation. Ceci
est dû au fait qu'entre la paroi refroidie de l'enceinte
et le moufle, la température demeure à un niveau
relativement bas et que les échanges thermiques intenses
qui s'effectuent essentiellement par rayonnement
n'affectent que le volume intérieur du laboratoire,
c'est-à-dire des zones relativement proches des pièces à
traiter.
En conséquence, les gaz de traitement n'atteignent la
température de traitement qu'au contact des pièces à
traiter. De ce fait, une partie importante de l'azote
actif libéré lors de cette dissociation agit sur les
pièces à traiter avant même que le phénomène de
recombinaison de l'azote actif en azote moléculaire
puisse se produire. Les gaz résultant de cette
dissociation sont ensuite aspirés par les moyens utilisés
pour engendrer le vide relatif à l'intérieur du four.
Les effets de ce processus se combinent avec les effets
du gaz catalyseur utilisé pour obtenir les résultats
précédemment évoqués qui concernent aussi bien la qualité
des résultats obtenus, les possibilités d'action sur les
différents paramètres de traitement pour obtenir
exactement les nuances souhaitées et les quantités de gaz
de traitement mis en oeuvre (celles-ci peuvent être très
réduites du fait du gain en rendement obtenu et de la
faible pression).
Une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon
l'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple non
limitatif, avec référence aux dessins annexés dans
lesquels :
Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le four
utilisé est de type à "parois froides", c'est-à-dire
qu'il comprend une enceinte étanche 1 à double parois 2,
3 entre lesquelles circule un fluide de refroidissement
tel que de l'eau. Grâce à cette particularité, le four
présente une faible inertie thermique et donc des
vitesses de refroidissement sensiblement supérieures à
celles obtenues dans un four à parois chaudes. Ce point
est primordial lorsqu'il s'agit de traiter des nuances
d'acier sensibles à la corrosion par précipitation
intergranulaire. A l'intérieur de l'enceinte 1 est
disposé un moufle 4 en matériau réfractaire qui délimite
un volume V constituant le laboratoire, à l'intérieur
duquel les pièces 5 sont placées sur un support 6 porté
par le fond de l'enceinte 1. Les pièces pourront être
disposées en vrac sur plusieurs éléments grillagés
disposés les uns au-dessus des autres. Le chauffage des
pièces 5 à l'intérieur du laboratoire est assuré par des
résistances chauffantes 7 connectées à un circuit
d'alimentation extérieur. Le four est par ailleurs équipé
d'une turbine de circulation des gaz utilisable notamment
pour accélérer le refroidissement du volume intérieur de
l'enceinte 1. Ce refroidissement est habituellement
obtenu par introduction d'un gaz inerte (azote ou azote
hydrogéné) à une pression inférieure à la pression
atmosphérique, la convection de ce gaz étant assurée par
la turbine 8.
L'installation fait en outre intervenir des moyens de
pompage 9 permettant d'établir, à l'intérieur de
l'enceinte, un vide limite d'au moins 10-2 mbar afin
d'assurer un niveau de purge suffisant. Ces moyens de
pompage 9 sont commandés par un système de régulation 10
conçu de manière à maintenir une pression la plus
constante possible dans l'enceinte de traitement 1 lors
du cycle de nitruration. La mesure de la pression à
l'intérieur de l'enceinte nécessite deux types de
capteurs :
- des jauges "Pirani" ou "Penning" pour les faibles pressions, lorsqu'on veut obtenir un vide limite de purge,
- un manomètre à membrane pour la pression de travail.
L'admission des gaz de traitement à l'intérieur du four
est assurée par un circuit d'injection de gaz 11 alimenté
à partir de sources de gaz S1, S2, S3 par l'intermédiaire
d'un mélangeur-régulateur de débit 12.
La pression de travail doit permettre d'assurer un
renouvellement correct de l'atmosphère avec une bonne
pénétration de l'atmosphère dans les formes complexes
(trous borgnes...) et de limiter au maximum les
consommations de gaz et donc les rejets. Dans cet esprit,
la pression a été fixée dans une fourchette de 200 à
400 mbar avec un taux de renouvellement constant :
- la pression de 200 mbar correspondant à un minimum de consommation, et
- la pression de 400 mbar correspondant à un maximum de pénétration dans les alésages, les cavités ou les formes complexes.
Le four peut être en outre équipé de moyens de traitement
par bombardement ionique faisant par exemple intervenir
un générateur électrique à haute tension connecté à la
paroi de l'enceinte et à la structure de support des
pièces à traiter. Dans le cadre du procédé selon
l'invention, ces moyens de traitement peuvent être
utilisés pour effectuer un décapage assisté par plasma.
Une particularité importante du four précédemment décrit
réside dans le fait que :
Toutefois, l'invention ne se limite pas à une telle
disposition : En effet, l'injection pourrait être
réalisée en un autre emplacement, à l'intérieur du
laboratoire, éventuellement à l'intérieur des pièces à
traiter (cas des tubulaires). Dans ce cas, le conduit
d'injection pourra passer dans la structure de support 6,
l'aspiration s'effectuant alors en un autre emplacement
du four, de préférence en un emplacement permettant
d'obtenir un flux axial de gaz de traitement. A cet
effet, le conduit d'injection ou le conduit d'aspiration
pourront être prolongés par une buse d'injection ou une
buse d'aspiration de forme appropriée par exemple pour
réaliser l'injection ou l'aspiration à l'intérieur d'un
tubulaire.
Le mélange gazeux nitrurant utilisé pourra consister en
un mélange constitué d'ammoniac (NH3), de protoxyde
d'azote (N2O) et d'azote (N2). Dans le cas d'une
dépassivation assistée par plasma, on peut également
utiliser de l'hydrogène (H2) et de l'argon (Ar).
Lors de la phase de nitruration, le mélange de base est
constitué de 95 % à 97 % de NH3 et de 5 à 3 % de N2O,
selon les nuances d'acier traitées.
Pour éviter ou limiter la formation d'une couche de
combinaison dite "couche blanche", on peut diluer
l'atmosphère avec de l'azote. Les proportions d'ammoniac
et de protoxyde d'azote exprimées ci-dessus sont alors
appliquées à la proportion de gaz de complément à 100 %.
La température de traitement peut varier entre 500 et
600°C selon les nuances traitées et le cahier des
charges.
La figure 2 montre les différentes phases successives
d'un traitement de nitruration à basse pression,
conformément au procédé selon l'invention.
Une fois les pièces disposées sur la structure de support
et le four refermé de façon étanche, on procède à une
mise sous vide poussé du four à une pression de l'ordre
de 10-2 mbar, afin d'obtenir un purgeage du four.
On procède ensuite au chauffage des pièces à la pression
de 10-2 mbar (phase de montée en température) pendant une
période T1.
Lorsque les pièces atteignent une température de l'ordre
de 400°C et dans le cas où l'on souhaite effectuer une
dépassivation sans bombardement ionique, on procède à une
injection d'ammoniac seul (point I) puis on poursuit le
chauffage jusqu'à l'obtention de la température de
traitement TT sous une pression partielle d'ammoniac de
l'ordre de 200 à 400 mbar.
On réalise ensuite la phase de dépassivation proprement
dite en maintenant les pièces à la température de
traitement, sous cette pression partielle d'ammoniac
pendant une période T2.
Dans le cas où l'on effectue une dépassivation ionique,
l'injection d'ammoniac est supprimée et la phase de
dépassivation s'effectue sous une atmosphère de
dépassivation classique, par exemple d'hydrogène et
d'argon.
Une fois la phase de dépassivation achevée, on entame la
phase de nitruration proprement dite en injectant le gaz
de traitement sur les pièces à traiter. Pendant cette
phase de nitruration qui se poursuit pendant la période
T3, les conditions de température et de pression sont
maintenues.
Le cycle de nitruration se termine par une phase de
refroidissement rapide, grâce à une injection de gaz de
refroidissement inerte (azote ou azote hydrogéné), la
circulation de ce gaz étant assurée par la turbine
(période T4).
Un avantage important du procédé précédemment décrit
consiste en ce que, grâce au fait que le traitement est
effectué à basse pression, il est possible d'obtenir une
régulation rapide du potentiel nitrurant : Il suffit, en
effet, de réaliser une purge du four et d'injecter un
mélange différent (plus ou moins riche en azote) pour
faire varier ce potentiel en quelques minutes, ce qui
n'est pas possible avec les procédés classiques.
Par ailleurs, les rejets gazeux occasionnés par la
nitruration à basse pression sont très faibles et sont
facilement traitables comparés aux rejets engendrés par
les bains de sels et les eaux de rinçage nécessaires aux
traitements de nitruration en bains de sels. De plus, les
conditions de travail ainsi que la sécurité du poste de
travail sont de meilleure qualité.
Vis-à-vis de la nitruration ionique, le procédé selon
l'invention met en oeuvre des moyens moins onéreux. Il
permet d'effectuer, notamment sur des tubulaires, des
traitements non réalisables par voie ionique en raison
des phénomènes de cathode creuse. Il permet en outre la
réalisation de traitements en vrac (impossible en
ionique) en diminuant ainsi le coût de préparation de la
charge.
Par rapport à la nitruration gazeuse, le procédé selon
l'invention permet d'améliorer le traitement de
tubulaires de forte longueur par l'injection du mélange
gazeux directement dans les tubulaires.
En outre, il engendre une consommation de gaz et donc des
rejets gazeux moins importants (3 à 5 fois moindre).
Des essais de traitement conformément au procédé selon
l'invention seront décrits ci-après :
Dans cet essai, il s'agissait de réaliser sur des galets
de 6 et de 9,5 mm de diamètre, en acier de nuance
Z85 WDCV 6 5 4 2 un traitement de nitruration en vrac. Le
cycle de traitement a plus précisément compris :
- une phase de dépassivation sous NH3 à 540°C pendant une durée de 30 mn,
- une première phase de nitruration à 540°C pendant une heure, sous une atmosphère de traitement comprenant 50 % N2- 46,5 % NH3- 3,5 % N2O,
- une deuxième phase de nitruration à 540°C pendant une heure et demi, sous une atmosphère de traitement comprenant 80 % N2 - 18,6 % NH3 - 1,4 % N2O.
Ce traitement a permis d'obtenir les résultats suivants :
- absence de couche de combinaison,
- absence de carbonitrures en réseau,
- profondeur conventionnelle de nitruration : 50 à 80 µm (HV0.1 coeur + 100),
- dureté superficielle ≥ 950 HV5.
Au cours de cet essai, des pignons automobiles en acier
de nuance 40 CD 4 ont subi le cycle de traitement
suivant :
- une phase de dépassivation sous NH3 à 570°C pendant 30 mn,
- une phase de nitruration à 540°C pendant 2 heures et quart sous une atmosphère de traitement comprenant 35 % N2 - 60,5 % NH3 - 4,5 % N2O.
Ce traitement a permis d'obtenir les résultats suivants :
- 10 à 20 µm de couche de combinaison,
- 0,15 à 0,2 mm de couche de diffusion (HV0.1 coeur + 100),
- dureté superficielle supérieure à 650 HV1.
Claims (10)
- Procédé pour la nitruration à basse pression d'une pièce métallique, selon lequel le processus de nitruration est réalisé dans un four en portant les pièces à une température de traitement de l'ordre de 500°C à 600°C, dans une atmosphère à basse pression avec injection sur les pièces d'un gaz de traitement,
caractérisé en ce qu'il comprend les phases successives suivantes :une phase de purgeage à une pression égale ou inférieure à 10-2 mbars,une phase de dépassivation,Une phase de traitement comprenant l'injection dans le four d'un gaz de traitement consistant en un mélange gazeux comprenant au moins de l'ammoniac, ainsi qu'un catalyseur favorisant la dissociation de l'ammoniac au contact des pièces à traiter et s'opposant à la recombinaison de l'azote actif provenant de cette dissociation en azote moléculaire, cette phase de traitement s'effectuant à la température de traitement, à une pression régulée à une valeur comprise entre 200 et 400 mbars, déterminée en fonction de la nature du traitement, avec un taux de renouvellement constant de l'atmosphère gazeuse, le gaz de traitement injecté étant dilué dans une quantité d'azote moléculaire variable afin de contrôler le pouvoir nitrurant du mélange et les nuances de la couche nitrurée. - Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que le susdit catalyseur consiste en du protoxyde d'azote (N2O), en de l'oxyde de carbone (CO), ou même en leur hydrocarbure tel que du méthane ou du propane. - Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que la phase de dépassivation comprend l'injection d'un gaz de dépassivation à une température supérieure à une température de seuil d'environ 400°C. - Procédé selon la revendication 3,
caractérisé en ce que le gaz de dépassivation est de l'ammoniac et/ou de l'hydrogène. - Procédé selon l'une des revendications 3 et 4,
caractérisé en ce que la phase de dépassivation débute pendant la phase de montée en température des pièces et se poursuit pendant la phase de maintien des pièces à la température de traitement. - Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que la phase de dépassivation comprend une dépassivation par bombardement ionique faisant intervenir un gaz de dépassivation tel que de l'argon. - Utilisation d'un four pour la mise en oeuvre du procédé, selon l'une des revendications précédentes, selon laquelle ledit four comprend une enceinte (1), par exemple à double parois (2, 3), constamment refroidie, un moufle réfractaire (4), logé à l'intérieur de l'enceinte (1), qui délimite un laboratoire à l'intérieur duquel les pièces à traiter (5) peuvent être placées, des moyens de chauffage (7) par rayonnement disposés à l'intérieur du laboratoire, et des injecteurs de gaz de traitement traversant l'enceinte (1) et le moufle (4) pour déboucher à l'intérieur du laboratoire, des moyens (9) permettant d'engendrer dans l'enceinte un vide relatif, et des moyens (12) de réglage du débit du gaz de traitement,
caractérisée en ce qu'à l'intérieur du laboratoire, les pièces (5) sont portées par une structure de support (6) à travers de laquelle passe un conduit d'aspiration raccordé aux moyens permettant d'engendrer le vide relatif (9), ce conduit débouchant au niveau desdites pièces. - Utilisation d'un four selon la revendication 7,
caractérisée en ce que les orifices du susdit conduit d'aspiration (13) et/ou d'injection de gaz de traitement (11) sont placés de manière à obtenir un flux axial de gaz de traitement à l'intérieur du laboratoire. - Utilisation d'un four selon l'une des revendication 7 et 8,
caractérisée en ce que le support comprend plusieurs éléments grillagés disposés les uns au-dessus des autres, sur lesquels les pièces sont disposées en vrac. - Utilisation d'un four selon l'une des revendication 7 et 8,
caractérisée en ce que le susdit conduit d'injection et/ou le conduit d'aspiration sont prolongés par une buse d'injection et/ou une buse d'aspiration de forme appropriée, notamment pour réaliser une injection et/ou l'aspiration à l'intérieur d'un tubulaire.
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