BE896526A - Procede de durcissement superficiel de pieces en acier et pieces ainsi obtenus - Google Patents

Description

  "Procédé de durcissement superficiel de pièces en acier et pièces ainsi obtenues" "Procédé de durcissement superficiel de pièces en acier et pièces ainsi obtenues"

  
La présente invention est relative au contrôle de la dureté ou "trempe superficielle" d'éléments ou de pièces en acier. D'une manière plus particulière, l'invention est relative au contrôle de la qualité de la dureté superficielle et de la résistance associée des surfaces portantes en acier à l'usure par abrasion et à la déformation.

  
Les faibles duretés superficielles et, par conséquent, les faibles facteurs d'aptitude à l'usure résultèrent principalement des processus utilisés

  
dans la fabrication des surfaces portantes en acier

  
de la technique antérieure, et en particulier les surfaces de tourillons tels que ceux utilisés dans les croisillons de joints universels. Ces éléments étaient normalement façonnés à partir de pièces forgées en acier, une pratique usuelle consistant à traiter à chaud la pièce forgée avant toute étape de meulage ou autre étape de séparation de métal. On sait bien que ces opérations de meulage, de polissage ou autre opération de finissage similaire enlèvent, du moins en partie, plusieurs centièmes de millimètres

  
de la surface durcie obtenue au départ du traitement

  
à chaud et des opérations de refroidissement rapide ultérieures. En fait, l'effet de cette étape d'usinage ou de ces étapes d'enlèvement de métal réalisées après le traitement à chaud était d'enlever les éventuelles quantités d'austénite retenues dans ces surfaces durcies. L'austénite retenue était-considérée comme indésirable à cause de sa tendance à être aisément transformée en martensite non revenue sous des conditions de durcissement par travail, ou encore à cause du fléchissement des pièces sous des conditions de températures extrêmement froides. Le concept général dans l'industrie était que la martensite non revenue devait être évitée à tout prix, cette dernière étant associée à des modifications dimensionnelles des pièces ou éléments finis, ainsi qu'à une fragilité et à des fissurations.

  
Les tourillons de la technique antérieure ont, par conséquent, été soumis à des étapes de meulage ou rodage après les processus de traitement à chaud et de refroidissement rapide pour séparer les parties importantes de couches durcies superficiellement ne retenant, d'une manière caractéristique, que 0 à 5% d'austénite. Le fait d'éviter délibérément virtuellement toute martensite non revenue dans le produit final a, par conséquent, conduit à des surfaces portantes ayant des duretés superficielles inférieures aux duretés souhaitables, en même temps que des résistances à l'abrasion et à la déformation relativement très faibles.

  
La présente invention prévoit un procédé

  
de trempe ou de durcissement superficiel des surfaces portantes d'éléments ou de pièces en acier, dans le-quel les surfaces ont des résistances à l'abrasion et à la déformation sensiblement améliorées. Les surfaces sont de préférence réalisées par des étapes d'usinage, de carburation, de refroidissement rapide ou trempe, de revenu et de durcissement par travail, de sorte qu'un pourcentage relativement élevé de l'austénite obtenue au cours de la carburation est retenu grâce au refroidissement rapide. Un pourcentage important de l'austénite retenue est ensuite transformé dans un but précis en martensite non revenue lors de l'étape de durcissement par travail.

  
Une réalisation préférentielle du procédé de l'invention comprend les étapes suivantes: (1) la réalisation de toutes les étapes d'usinage, de meulage et opérations similaires impliquant la séparation de métal, (2) la carburation de la pièce usinée de manière à obtenir une concentration superficielle en carbone de l'ordre de 0,9 à 1,3%, (3) le refroidissement rapide ou trempe direct de la pièce dans de l'huile par des moyens conduisant à la rétention

  
de 10 à 30% d'austénite à une profondeur superficielle d'au moins 0,25 mm, (4) le revenu programmé de

  
la pièce dans un environnement de four contrôlé à température constante, et (5) le durcissement par travail de la pièce de manière à transformer une partie de l'austénite retenue en martensite non revenue, de telle sorte que la profondeur superficielle réponde à une composition comprenant au moins 5 à
20% de martensite non revenue.

  
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif et en se référant au dessin annexé, dont la figure unique représente un croisillon de joint durci superficiellement, tel qu'utilisé dans une forme de réalisation préférée de

  
la présente invention.

  
La présente invention est relative au durcissement superficiel de surfaces de support portantes de pièces en acier, par exemple les surfaces du tourillon 12 d'un croisillon de joint universel 10,

  
tel que représenté par le dessin annexé. Les tourillons 12, qui s'étendent radialement de la portion de corps centrale 14, sont chacun disposés pour un contact par. roulement avec des roulements à aiguilles

  
(non représentés). Ces surfaces doivent théoriquement avoir une résistance élevée à l'abrasion et

  
à la déformation, tout en présentant une résistance mécanique suffisante pour résister à la fatigue due

  
au contact par roulement.

  
Le procédé comprend cinq étapes de base, et

  
le schéma ci-après donne une séquence préférentielle des étapes telles qu'utilisées dans le cadre de

  
la présente invention. 

  
Etapes:

  
(pour acier SAE 8617):

  

 <EMI ID=1.1> 
 

  
Les tourillons 12 de l'élément 10 sont d'abord totalement usinés. Une caractéristique importante de la présente invention est que tous les processus d'usinage soient réalisés dans une phase initiale, de manière à éviter tout usinage de la matière superficielle durcie résultante. Si l'on se réfère au schéma, le croisillon 10 est donc usiné initialement, le processus d'usinage impliquant un usinage de dégrossissage, tel qu'un tournage au moyen d'un tour, suivi immédiatement de toutes les opérations

  
de finissage de séparation de métal, telles qu'un meulage jusqu'à la dimension ou aux tolérances finales, suivant les nécessités. Le croisillon 10 est de préférence embouti sous la forme d'une pièce forgée, et les tourillons 12 sont ensuite usinés aux tolérances finales pour une utilisation appropriée comme support de contact pour roulements.

  
L'élément 10 est ensuite carburé à une température de l'ordre de 843 à 949[deg.]C. Ce processus est réalisé pendant une durée préférentielle de 3 à 6 heures. Le four de carburation peut, par exemple, être du type "poussant", un gaz endothermique pouvant être utilisé comme agent porteur dans la production d'un environnement contrôlé pour réaliser un potentiel de carbone élevé. L'agent porteur ou véhicule est de préférence enrichi au moyen d'un gaz hydrocarburé, par exemple du gaz méthane, ainsi que cela est bien connu des spécialistes de la technique. La concentration superficielle en carbone préférée est de l'ordre de

  
 <EMI ID=2.1> 

  
te concentration permettra d'assurer que la profondeur superficielle soumise à la pénétration de carbone soit d'au moins 0,25 mm. On notera que ces conditions conduiront dans certaines régions des aires superficielles touchées à des profondeurs durcies superficiellement atteignant 1,27 mm. Le but du processus de carburation est de faire en sorte qu'une quantité importante d'austénite soit retenue dans la surface durcie superficiellement de l'élément 10.

  
Suivant la teneur en carbone de l'acier, ainsi que cela est bien connu des spécialistes en matière de traitement à chaud des aciers, la phase austénitique de l'acier est atteinte à 723[deg.]C pour la composition eutectoïde contenant 0,80% de carbone, et à des températures supérieures pour n'importe quel autre pourcentage de carbone. On notera que parmi toutes

  
les phases d'acier, la phase d'austénite présente la plus grande affinité pour recevoir des atomes de carbone, seulement approximativement 2% de carbone pouvant toutefois être absorbés dans l'acier, sous des conditions idéales. Après la carburation, si l'acier refroidit lentement, les atomes de carbone quitteront la structure cristalline de l'austénite, et la composition se transformera en une structure cassante indésirable, telle que de la "cémentite". C'est ainsi que l'on utilise un refroidissement ou une trempe rapide pour effectuer une "congélation" de la structure austénitique avant que les atomes de carbone n'aient une chance d'émigrer.

   Le résultat consiste de préférence en une phase ayant une structure cristalline, et par conséquent plus désirable, plus résistante aux faibles températures, par exemple de la martensite qui est beaucoup plus stable aux températures très basses que l'aus-ténite, tout en ne se différenciant que légèrement de celle-ci du point de vue des propriétés métallurgiques.

  
Contrairement à la présente invention, où

  
un effort est réalisé pour obtenir la plus grande quantité possible d'austénite retenue (approximativement 10 à 30% lors du refroidissement rapide), on

  
s'est efforcé suivant la technique antérieure de réduire au minimum l'austénite retenue (et par conséquent

  
la martensite résultante) principalement dans le but d'éviter la fragilité et la fissuration des pièces.

  
Les techniques antérieures utilisaient, par conséquent, une concentration en carbone qui n'était que de 0,8 à 1,0% de manière à réduire au minimum la quantité d'austénite retenue. La présente invention, toutefois, limite les problèmes de la technique antérieure en soumettant l'élément 10 à un revenu après la trempe

  
de manière à réduire la quantité trop importante de martensite non revenue produite par la trempe ou le refroidissement rapide, comme on l'expliquera ciaprès d'une manière plus détaillée.

  
Si l'on se réfère au schéma, pour effectuer

  
la carburation, l'élément en acier 10 doit être réalisé en une qualité carburante d'acier. Evidemment, l'élément sera d'autant plus aisément saturé en

  
une période de temps comparativement plus courte

  
que la teneur en carbone de l'acier est plus faible.

  
Par exemple, un acier à base de nickel-chrome ayant

  
une faible teneur en carbone, tel que l'acier

  
SAE 8617, atteindra une concentration en carbone de

  
0,9 à 1,3% à une profondeur durcie superficiellement minimale d'au moins 0,25 mm à 899[deg.]C en une période de 3 à 6 heures. Un acier SAE 8610, qui a une composition identique exepté le fait qu'il présente une teneur en carbone plus faible, absorbera du carbone plus facilement sous les mêmes conditions, tandis qu'un acier SAE 8620 ayant une teneur en carbone plus élevée absorbera d'une façon correspondante moins de carbone (l'acier SAE 8617 contient 0,17% de carbone).

  
Après avoir enlevé l'élément 10 du four de carburation, tout en laissant chuter légèrement la température jusqu'à 815,5[deg.]-899[deg.]C, l'élément est "refroidi rapidement directement" dans de l'huile, que l'on maintient à une température de 27[deg.] à 54,5[deg.]C, pendant 3 à 7 minutes. Un refroidissement rapide direct est préférable à.', refroidissement rapide indirect dans la forme de réalisation préférée étant donné qu'un refroidissement rapide indirect donne une quantité moindre d'austénite retenue. Un processus de refroidissement rapide indirect, tel qu'un "refroidissement rapide en étapes" (utilisé plus fréquemment dans le cas des aciers à haute teneur en carbone) implique un refroidissement rapide, ensuite un réchauffage de l'élément refroidi rapidement à

  
une température légèrement en dessous de la phase austénitique, ensuite un refroidissement plus lent pour permettre à l'austénite de se transformer en bainite, une phase ferritique plus douce ayant des caractéristiques maléables appropriées aux surfaces de support, ainsi que cela est bien connu des spécialistes de la technique.

  
Comme indiqué sur le schéma, le refroidissement rapide à l'huile direct permet d'obtenir un pourcentage d'austénite retenue d'approximativement 10 à 30%, et une dureté Rockwell C de l'ordre de 63 à 67 sur la surface durcie superficiellement de l'élément

  
10. On notera qu'un processus de refroidissement rapide à l'huile permet un contrôle en fonction du temps sensiblement plus grand du refroidissement rapide comparativement à un processus de refroidissement rapide à l'eau, qui à partir des températures élevées a plus facilement tendance à soumettre l'élément à des fissurations superficielles au cours du refroidissement rapide associé à celui-ci.

  
Une étape de revenu réalisée ensuite implique une opération de réchauffage pour éliminer les efforts de traction superficiels indésirables et moyennement importants provoqués par l'opération de trempe ou de refroidissement rapide direct. C'est ainsi que l'élément 10 est réchauffé et maintenu pendant approximativement 1,5 heure à une température constante de l'ordre de 149 à 204,5[deg.]C. Au cours de cette période, la dureté Rockwell C diminue d'une valeur de 63 à

  
67 à une valeur de 59 à 64. Bien qu'une dureté Rockwell C relativement élevée soit obtenue au cours du refroidissement rapide, la quantité de martensite non revenue (70-90%; voir le schéma), est extrême-

  
 <EMI ID=3.1> 

  
antérieurement, et conduirait aux problèmes de la technique antérieure liés à la fatigue et à la fragilité. Ce pourcentage élevé de martensite non revenue doit par conséquent être sensiblement réduit afin d'accroître la résistance de la pièce, et d'éviter

  
la fragilitéo De plus, étant donné que l'étape de refroidissement rapide ou de trempe à l'huile conduit également à une distribution irrégulière de la dureté

  
sur la surface, l'étape de revenu produit également

  
une dureté plus uniforme sur la surface.

  
Après le revenu, l'opération finale implique

  
un durcissement par travail de la profondeur superficielle. Le processus de durcissement par travail permet d'obtenir une quantité plus petite et plus désirable de martensite non revenue dans la surface de la pièce. On notera à l'attention des spécialistes de la technique que seulement l'austénite retenue est

  
capable d'être transformée en martensite non revenue

  
par un durcissement par travail. Ceci provient du

  
fait qu'une fois convertie par l'étape de revenu, la martensite revenue ne peut plus être retransformée en martensite non revenue par des processus de durcissement par travail. C'est ainsi que l'austénite retenue devient la seule source de martensite non revenue après les étapes de refroidissement rapide et de revenu.

  
Suivant la présente invention, le processus

  
de durcissement par travail préféré est le grenaillage d'écrouissage, tel que, par exemple, réalisé par l'utilisation de grenaille d'acier en coquille ASTM

  
390. Le processus de grenaillage d'écrouissage convertit une partie importante de l'austénite retenue résiduaire en martensite non revenue, permettant d'obtenir une composition contenant de 5 à 20% de martensite non revenue dans une profondeur durcie superficiellement effective d'au moins 0,25 mm, et de réaliser une dureté Rockwell C de 59 à 68. Pour réaliser

  
ce niveau de dureté, le grenaillage d'écrouissage doit être d'une intensité suffisante pour produire une hauteur d'arc au feuillard "A" d'essai d'Almen de 0,40 à 0,66 mm, ainsi que cela est bien connu des spécialistes de la technique.

  
On notera en outre qu'un autre avantage du durcissement par travail de la profondeur durcie superficiellement est l'apparition de forcesde compression en surface, ce qui accroît également d'une manière intrinsèque la durée de fatigue de la pièce. Les forces de compression proviennent du fait que la structure cristalline de la martensite non revenue est légèrement plus grande que celle de l'austénite. C'est ainsi qu'il y a une légère dilatation de la profondeur durcie superficiellement étant donné qu'une partie importante de l'austénite retenue est transformée en martensite non revenue par le processus de grenaillage d'écrouissage.

   La combinaison de la dureté superficielle plus grande et des forces de compression superficielles permet d'obtenir une surface portante ou de support améliorée utilisable dans des environnements de roulements de contact soumis à des tensions élevées, par exemple ceux auxquels les tourillons 12 sont soumis.

  
D'autres avantages sont également obtenus en utilisant le procédé de la présente invention, bien qu'ils n'apparaissent pas tous d'une façon évidente. Par exemple, on suppose que la concentration supérieure en carbone telle qu'utilisée dans le cadre de la présente invention produit un petit pourcentage de carbures dans la surface durcie superficiellement

  
qui contribue également à améliorer la résistance à l'usure de l'élément 10.

  
Il doit être entendu que la présente invention n'est en aucune façon limitée aux formes de réalisation ci-dessus et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre du présent brevet. Par exemple, le procédé pourrait également être appliqué à d'autres éléments portants, tels

  
que la gorge intérieure d'un chapeau de palier de joint universel tel qu'utilisé pour supporter le tourillon, ou même à des parties portantes d'arbres ou d'essieux, etc. 

REVENDICATIONS

  
1. Procédé de formation d'une surface durcie superficiellement sur une pièce en acier faite en

  
une qualité d'acier dite de carburation, ladite surface comprenant de 10 à 30% d'austénite, ce procédé comprenant l'étape de durcissement par travail de

  
la surface pour transformer cette austénite en au moins 5 à 20% de martensite non revenue.

Claims (1)

1. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que toutes les opérations de séparation de métal effectuées sur cette surface, y compris

   les opérations d'usinage ou de finissage, sont réalisées avant cette étape de carburation.

   3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de carburation.est réalisée à une température de l'ordre de 843[deg.] à 949[deg.]C.

   4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de carburation est réalisée pendant une période de l'ordre de 3 à 6 heures, de telle sorte que la concentration en carbone atteigne une profondeur superficielle d'au moins 0,25 mm.

   5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape de refroidissement rapide est effectuée lorsque la pièce se trouve à une température d'au moins 815,5[deg.]C, et en ce que cette pièce est maintenue dans de l'huile pendant 5 minutes, l'huile ayant une température de l'ordre de 27[deg.] à 54,5[deg.]C.

   6. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'étape de revenu est réalisée à une température de l'ordre de 149[deg.] à 204,5[deg.]C pen-dant une période de l'ordre de 1 à 1,5 heure.

   7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de durcissement par travail est réalisée par un grenaillage d'écrouissage.

   8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de grenaillage d'écrouissage est réalisée avec de la grenaille d'acier en coquille.

   9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de refroidissement rapide produit une surface durcie superficiellement contenant de 70 à 90% de martensite non revenue, et de 10 à 30% d'austénite retenue.

   10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'après l'étape de durcissement par travail précitée, la surface durcie superficiellement contient de 70 à 90% de martensite revenue,. et de 5 à 20% de martensite non revenue jusqu'à une profondeur allant jusqu'à 0,25 mm.

   11. Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que cette concentration superficielle en carbone est réalisée par l'intermédiaire d'un four

   à gaz de carburation, dans lequel un gaz porteur endothermique est enrichi par l'intermédiaire d'un gaz hydrocarburé, de manière à obtenir la concentration en carbone précitée.

   12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que les opérations d'usinage comprennent (1) une étape de tournage de dégrossissage et (2) une étape d'usinage de finissage.

   13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que la surface durcie superficiellement a une dureté d'une grandeur représentée par une hauteur d'arc du feuillard "A" de l'essai d'Almen allant de 0,40 à 0,66 mm.

   14. Procédé de formation d'une surface durcie superficiellement sur une pièce en acier faite en une qualité d'acier dite de carburation, caractérisé en ce qu'il comprend (a) la carburation de cette surface à une concentration superficielle de carbone de l'ordre de 0,9 à 1,3%, (b) la trempe ou le refroidissement rapide direct de cette surface dans de l'huile par des moyens conduisant à la rétention de 10 à 30% d'austénite dans cette surface, (c) le revenu programmé de cette surface dans un environnement de four contrôlé à température contrôlée, et (d) le durcissement par travail de cette surface pour transformer l'austénite retenue en au moins 5 à 20% de martensite non revenue, et pour créer des forces de compression dans la surface durcie superficiellement.

   15. Procédé de durcissement superficiel de pièces en acier et pièces en acier, tels que décrits ci-dessus.