Procédé de traitement des métaux et alliages en vue d'obtenir une modification de leur état cristallin. La présenta invention est relative au trai tement des métaux,et aâliages et notamment des aciers et autres alliages ferreux,
en vue d'obtenir une modification de l'état cristal lin du métal accompagnée éventuellement d'un -durcissement superficiel par formation dans la couche extérieure d'une combinaison dure quelconque ferreuse ou autre (nitrure de fer, carbure de fer, mélange de nitrure et carbure, etc.).
On a découvert ce phénomène remarqua ble que, si l'on engendre dans des métaux et alliages et notamment des aciers et autres alliages ferreux des vibrations mécaniques ayant la fréquence des ultra-.sons, on modifie l'état structural .du métal ou de l'alliage. Ceci reste vrai quelle que soit la température à laquelle on opère, bien. qu'une augmentation de température semble accélérer la modifi- eation de l'état structural. Danse le cas.
des aciers en particulier, il est possible d'opérer à une température inférieure à. leur point de transformation le plus: bas.
A ces vibrations mécaniques de fréquence ultrasonore, ou ultrasons proprement dits, obtenues par quelque moyen que ce soit et qui parcourent le corps à traiter, on peut adjoin dre des oscillations électriques de fréquence ultra-soînore également, que l'on fait aussi parcourir le corps à traiter.
D'autre part, si le traitement s'effectue en présence d'un agent de durcissement (car bone, azote, etc.), on constate que l'agent de durcissement s'incorpore au métal pour pro duire un durcissement de la couche super- ,ficielle.
Pour obtenir sur .des pièces d'acier une couche superficielle de grande .dureté, on peut actuellement procéder soit par cémen tation, soit par nitruration.
Dans les procédés actuels -de cémenta tion, celle-ci s'effectue à haute température et elle est obligatoirement accompagnée de la trempe de la pièce cémentée. Il en résulte des déformations qui, après cémentation, né- cessitent un usinage sur une pièce très dif ficile à travailler par suite de sa dureté su perfieielle. De plus, la pièce reste sous ten sion et l'on sait combien il est préférable de conserver à l'acier les caractéristiques qu'il possède après revenu (fragilité moindre).
Dans le cas de nitruration, cette opéra tion nécessite par les procédés actuels, l'em ploi d'aciers spéciaux ,d'un prix relativement élevé; de plus, l'opération est lente.
Dans le cas de l'acier, l'un des avantages du procédé selon l'invention est de permettre le traitement à une température plus basse que celle de revenu maximum après trempe, cette température laissant à l'acier ses quali tés mécaniques les plus compatibles avec les conditions usuelles -de travail dans les ma chines.
Ires pièces n'étant plus sujettes à des dé formations peuvent donc être usinées avant d'être durcies .superficiellement.
De plus, dans le cas de cémentation au carbone par le procédé suivant l'invention, le carbone apporté peut se diffuser graduelle ment de la surface vers l'intérieur en évitant la tendance bien connue à l'écaillage, pro- iduite par l'ancien procédé de cémentation.
Le procédé permet, en outre, d'obtenir le durcissement superficiel dans une durée de temps assez faible.
D'autre part, les vibrations mécaniques et oscillations électriques ont pour effet de mo difier la structure -du métal, cette modifica- tion ayant généralement pour résultat d'amé liorer les caractéristiques. Ce fait se produit, en particulier, sur les aciers austénitiques.
Dans le cas où le durcissement -est ob tenu _ par incorporation d'azote, le procédé permet d'obtenir une couche superficielle très dure dans un temps relativement court.
Les éléments durcissants ainsi incorporés peuvent d'ailleurs provenir de corps solides, liquides ou gazeux. Le procédé permet éga lement l'incorporation directe, ensemble ou séparément, de corps solides, tels que bore, aluminium, silicium et d'une façon générale des métaux, métalloïdes, combinaisons ou al liages susceptibles de conférer à l'échantillon des propriétés spéciales telles que l'inoxyda- bilité.
Dans les cas exposés plus haut, il z a. sous l'action des vibrations mécaniques, mi gration -d'un ou plusieurs éléments, tels que carbone, azote, etc. à partir de l'agent mo dificateur ver: la pièce à traiter. Si, au .contraire, on soumet à l'action des vibra- tioas une pièce fortement carburée telle qu'une éprouvette en fonte, entourée d'un milieu non carburé tel que de la- li maille de fer doux, ou simplement un courant d'air,
le carbone se diffuse en par tant de la pièce en fonte qui se trouve ainsi décarburée en .surface -et peut être ensuit.. si on le désire, durcie par un agent quelconque de durcissement. Dans ces. différents cas, les migrations moléculaires qui se produisent sous l'action des vibrations paraissent s'ef fectuer dans le sens correspondant à un cer tain équilibre physico-chimique entre la pièce traitée et 1e milieu qui l'entoure.
Les vibrations mécamques de fréquence ultrasonore peuvent être créées', notamment dans les armatures d'un condensateur par des oscillations électriques, .de même fréquence, traversant ce condensateur et comme il sem ble que de telles oscillations électriques in- tervienn ent également pour favoriser le phé nomène physique de diffusion, il sera avan tageux de faire passer ces oscillations élec triques dans la pièce à traiter formant avec une autre pièce métallique,
un co.adensateur dont le diélectrique est constitué par une at mosphère ou un milieu carburé, azoté ou au tre.
L'invention vite également une installa tion permettant l'application du procédé, ainsi que le produit obtenu par ce procédé.
Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple: La fi-. 1 est une coupe schématique d'une installation pour l'application du procédé se lon l'invention, les vibrations mécaniques de la fréquence des ultrasons étant produites pax une self parcourue par le courant oscil lant d'un oscillateur électrique, et la tempé rature d'opération étant produite par un four électrique;
La fig. 2 représente une variantes dans la quelle les ondes ultrasonores sont produites par un condensateur parcouru par le courant oscillant; La fig. 3 est une coupe verticale schéma tique d'un appareil du type précédent, dans lequel -l'une des armatures du condensateur ,est constituée par la pièce à traiter.
Dans l'exemple d'exécution représenté à la, fig. 1, l'installation comporte un four électrique 1; ce four pourrait cependant être d'un, type quelconque (four à .gaz, four à bain -de métal, etc.). Il est chauffé par des résistances 2.
Dans ce four est placé un so cle 3 en matière isolante, servant de support à une boîte métallique 4, destinée à recevoir la pièce 5 à traiter. Cette pièce 5, de forme quelconque, en acier ou métal ferreux, par exemple, -est maintenue dans la boîte par .1'in- termédiaire,d'une tige ,support 6. Coûte tige 6 'est maintenue elle-même par une pièces di électrique 7, qui repose sur la boîte 4.
Dans le bas de cette boîte 4 débouche un tuyau 8 d'amenée de gaz; le départ de ce gaz a lieu à la partie supérieure par<B>le</B> tuyau 9. De préférence dans la boite 4 est -disposé concen- triquement à la pièce 5 à traiter, un tuyau ou anneau métallique 10 en contact direct avec la paroi métallique de la boîte 4, cet an neau étant destiné à canaliser le gaz autour de la pièce 5 à traiter.
L'installation est complétée par un dispo sitif permettant la production dans la pièce 5 à traiter de vibrations de la fréquence des ondes ultrasonores. Celles-ci peuvent .être produites par l'un des procédés quelconques connus, par exemple à l'aide d'un oscillateur classique Hartley 21 (comme représenté), ou ,d'un oscillateur à constante de temps, agis sont sur les générateurs d'ultra-sons tels que cristaux piézo-électriques, dispositifs électro magnétiques ou à champ électrique, etc. Les vibrations ultrasonores pourront également être engendrées mécaniquement.
Selon l'exemple d'exécution représenté à la fig. 1, la pièce 5 à traiter est reliée par l'in termédiaire de sa tige-support 6 à un disque métallique 11. Ce disque est fixé à la partie inférieure d'un tube 12 en matière isolante (bois ou matière réfractaire) à l'intérieur et suivant l'axe duquel est placée une bobine de self-induction 13.
Cette bobine de.self 13 est reliée d'un côté à un conducteur 14, qu'un commutateur 15 permet de mettre en liaison soit avec un con ducteur 116 allant à la. terre, soit avec un con ducteur 17 relié la pièce 5 à traiter. Dans ce cas, le retour à. la terre s'effectue par la pièce 5 formant armature de condensateur, l'inter valle 18 compris entre cette pièce et le tube 10 formant diélectrique, le tube 10 formant l'autre armature du condensateur, la boîte 4, ,le tuyeau 9 et un conducteur 19.
De l'autre côté, la self 13 est reliée par le conducteur 20,à l'oscillateur électrique.
Le fonctionnement est le suivant: l'éprou vette étant maintenue à une température con- venable, par exemple d'environ 480 C, on met en marche l'oscillateur. Les courants haute-fréquence parcourent la self 13 et vont à la terre, par exemple, par le conducteur 16. La self 13, sous l'action de ces courants, agit sur la plaque 11, et celle-ci devient une géné ratrice de vibrations mécaniques à haute fré quence, dites ultrasons. Ces vibrations se transmettent à la pièce 5 à traiter.
On a découvert que ces vibrations mécani ques de la fréquence des ultrasons, à une température de 480 C environ, agissent sur la pièce en traitement pour en modifier l'état cristallin et produire ainsi une amélioration des caractéristiques de l'acier.
Si on désire effectuer un durcissement en surface, il suffit, le fonctionnement restant le même que ci-dessus, de faire parcourir Pinté- ,rieur de la caisse 4 par un courant d'un gaz actif (azote, ammoniac, gaz d'éclairage, oxyde (le carbone,. etc.) ou par un mélange ou combinaison de plusieurs de ces gaz.
On: constate que l'opération de durcisse ment s'effectue rapidement. Grâce à l'inverseur 15 et,à la connexion 17, on peut faire passer ;à la fois dans la pièce 5 à traiter des ondes ultrasonores et des oscillations électriques, le courant à haute- fréquence issu de l'oscillateur allant à la terre par le tube 9 et la connexion 19.
Pour mieux mettre en évidence l'intérêt du procédé, on va décrire, ci-après, les résul tats obtenus au cours d'une expérience réa lisée avec une installation du type décrit ci- dessus et représentée à la fig. 1.
<I>Exemple</I> r: La pièce 5 à traiter était constituée par un barreau cylindrique de dix millimètres de diamètre en acier nickel-chrome-molybdène, dont la composition d'après l'analyse était approximativement la suivante:
EMI0004.0011
Carbone <SEP> 0,35
<tb> Chrome <SEP> 2,9
<tb> Nickel <SEP> 3,5
<tb> Molvbdène <SEP> 0,5 L'anneau 10 était disposé de manière que l'intervalle 18 compris entre lui et le barreau .5 frit de cinq millimètres. Le gaz actif par courant de bas en haut cet intervalle était formé de cinq parties d'acétylène et d'une partie de gaz d'éclairage.
La pression dans le circuit était de 3 à 5 centimètres d'eau, et le débit d'environ 30 litres-heures par un tube de 10 millimètres de diamètre intérieur. La température du four a été maintenue pendant la durée de l'expérience à environ 480 C.
Le disque 11, relié au barreau 5, avait 210 millimètres de diamètre et 10 mm d'é paisseur. La self 13 placée à un centimètre au-dessus du disque 11 était formée de neuf spires de fil de cinq millimètres. Le diamètre des spires était de huit centimètres et leur écartement de un centimètre. La longueur d'onde émise par l'oscillateur était de trente- huit mètres.
Les caractéristiques essentielles de l'oscillateur étaient les suivantes
EMI0004.0019
Haute <SEP> tension <SEP> 2900 <SEP> volts
<tb> Basse <SEP> tension <SEP> 8 <SEP> volts Avec une telle installation, après six heu res et demie de fonctionnement, la couche durcie obtenue avait une épaisseur de trois dixièmes de millimètre, alors que le même acier, dans les mêmes conditions, mais sans utilisation des ondes, ne se durcit que sur huit centièmes de millimètre d'épaisseur en sept heures. Le centre de la pièce avait en ou tre augmenté de résistance. En effet, cette pièce trempée et revenue, mais non traitée par les ondes, avait une dureté Rockwell, sous 150 kg, de 26, et après traitement par les ondes, cette dureté était passée à 33.
Dans l'exemple représenté, le courant os cillant produit des ultrasons par l'intermé diaire de la self 13, mais ce résultat pour rait, bien entendu, être obtenu autrement, par exemple à l'aide d'un condensateur, comme il est représenté à la fig. <B>2.</B> Suivant cet exem ple d'exécution, le conducteur 211, relié à l'os cillateur, aboutit à l'armature 31a d'un con densateur. L'autre armature 31b est reliée mé caniquement, par exemple par la tige support 6, à la pièce à traiter 5. On sait que les ar matures 31a et 31b du condensateur, sous l'action de la haute-fréquence, sont le siège de vibrations mécaniques de la fréquence des ultrasons.
Ces vibrations sont transmises comme précédemment à la pièce à traiter 5, celle-ci pouvant ou non, à volonté, être par courue par le courant à haute fréquence grâce aux interrupteurs 32 et 33.
Il convient d'ailleurs de noter que dans le cas où la pièce à traiter est parcourue par les ondes électriques, le condensateur 31 est inu tile, puisque la pièce 5 constitue elle-même l'armature d'un condensateur dont l'autre ar mature est constituée par la pièce 10 reliée à la masse, l'intervalle 18 parcouru par le gaz actif constituant le diélectrique.
On peut donc simplifier dans ce cas le dis positif selon l'exemple d'exécution représenté à la fig. 3. Dans cet appareil, 51 désigne un -support en briques, sur lequel est placée une cuve métallique 52 contenant, par exemple, du plomb fondu 53. Cette cuve 52 est chauf fée par un moyen quelconque, par exemple par un brûleur à. gaz 54, de manière à main tenir le bain de plomb 53 à une température convenable pour obtenir le durcissement re cherché.
Dans cette cuve 52, plonge une boîte 55, maintenue par des supports quelconques 56. Au milieu de cette boîte 55 est placée l'é prouvette métallique à durcir 57. Cette éprou vette est isolée électriquement de la boîte, au fond par une plaque de matière isolante et ré fractaire 58, et à la partie supérieure par une autre plaque -de même nature 59, formant cou vercle.
Le gaz ou le mélange de gaz, destiné à former, avec l'acier, une couche dure, arrive par la tubulure 60, et s'échappe par une deuxième tubulure 61.
D'autre part, un oscillateur quelconque usuel est en communication avec .l'éprouvette 57 par une connexion 62. La cuve 52 est mise à la masse par une connexion 63. L'éprou vette 57 forme donc avec la boîte 55 une sorte de condensateur, traversé par le courant os cillant et dont le gaz forme le diélectrique.
Bien entendu, la durée du traitement et l'intensité de courant oscillant sont à déter miner suivant les dimensions de la pièce.
Au lieu de produire les vibrations ultra sonores de la façon indiquée, on peut les pro duire de toute autre façon, notamment par des dispositifs purement mécaniques.
On a exposé précédemment la possibilité d'utiliser le procédé faisant l'objet de l'inven tion, pour incorporer à des métaux et allia ges, et notamment à -des aciers, et autres al liages ferreux, d'autres métaux ou métal loïdes ou alliages. L'élément à incorporer peut, dans ce cas, être disposé autour de la pièce à traiter soit sous forme de poudre fine, soit de toute autre manière et notamment de dépôt galvanique.
Trois exemples sont donnés ci-dessous: <I>Exemple 2:</I> On enrobe une éprouvette en acier extra- doux dans une poudre constituée, par exem ple, par ,du bore, et on la soumet aux vibra tions ultrasonores. Ce corps, bien qu'ayant un point de fusion extrêmement élevé (très au-dessus de la température de l'expérience qui est d'environ 520 ), se diffuse dans le métal et la pénétration atteint environ 0,7 mm en 10 heures.
<I>Exemple 3:</I> Une pièce en acier extra-doux est préala blement recouverte d'une pellicule de chrome par dépôt galvanique. La pièce est ensuite soumise aux vibrations ultrasonores à 530 . On constate qu'au bout de 9 heures de trai tement, le chrome a pénétré la pièce en acier sur une profondeur de 0,35 mm environ.
<I>Exemple</I> Une éprouvette en acier extra-doux est entourée de zinc et soumise à l'action des vi brations pendant cinq heures à 330 . Le zinc pénètre l'éprouvette sur une profondeur de 7/1o de millimètre. On remarque dans cet exemple que la température d'opération est relativement très basse: 330 seulement.
Enfin, en ce qui concerne la température d'opération, l'expérience a montré que, si les températures modérées (inférieures, dans le cas particulier des aciers usuels, au point de transformation, ou inférieures au point de fu sion du corps introduit) étaient avantageuses parce qu'elles permettent d'éviter les défor mations des pièces à traiter et de réduire le coût de l'opération, elles ne sont nullement limitatives et que le procédé peut être égale ment appliqué à des températures élevées, par exemple les températures de traitements ther miques usuels dans le cas des aciers,
ou des températures supérieures au point de fusion des corps à introduire dans la pièce à traiter.
C'est ainsi qu'on a fait l'expérience sui vante: <I>Exemple 5:</I> On a pris un échantillon d'acier mi-dur répondant à l'analyse ci-dessous:
EMI0005.0026
C <SEP> 0,7
<tb> Si <SEP> 0,25
<tb> Mn <SEP> 0,5
<tb> P <SEP> 0,04
<tb> S <SEP> 0,04% on l'a entouré d'un mélange de bore, de gra phite et de cuivre et on l'a soumis à l'ac tion des vibrations ultrasonores et des oscil lations électriques à la température de 675 dans un mélange de une partie de gaz am moniac et de quatre parties de gaz d'éclai rage. Au bout de neuf heures de traitement, on a constaté la présence d'une couche dure de 0,15 mm d'épaisseur contenant en particu lier du carbone et du bore.
On a remis ensuite la même éprouvette en traitement pendant dix heures fà 750 et l'on a constaté que la couche dure était profondément diffusée dans la masse.
On a vu plus haut l'exemple de la péné tration du zinc à 330 seulement. On a pu également obtenir des résultats à des tempé ratures: beaucoup moins élevées.
<I>Exemple 6:</I> Une éprouvette d'acier nickel-chrome- molybdène de la composition suivante:
EMI0006.0006
C <SEP> <B>0,35%</B>
<tb> Ni <SEP> 3
<tb> Cr <SEP> 3 <SEP> %
<tb> Mo <SEP> 1 avait préalablement subi une trempe à l'huile, après chauffage préalable à 925 et un re venu à<B>500'</B> et sa dureté était de 506 Brinell. Elle a été soumise à l'action des vibrations ultrasonores et des oscillations électriques sans aucun chauffage pendant dix heures, dans une atmosphère gazeuse contenant de gaz d'éclairage et '/,, de gaz ammoniac.
La température de l'éprouvette en cours du trai tement est restée sensiblement égale à la tem pérature ambiante: 17 à 20 . Après ce trai tement, la dureté était passée à 556 Brinell et l'examen micrographique montrait la for mation d'une couche de cémentite d'un peu plus de 0,1 mm d'épaisseur.
Comme indiqué ci-dessus, le procédé peut être utilisé pour enlever un élément de la couche superficielle d'une pièce, par exemple du carbone de la couche superficielle d'un moulage en fonte, en entourant la pièce d'un milieu d'une composition différente vers le quel cet élément tend à se diffuser.
<I>Exemple 7:</I> On a, en particulier, réalisé l'expérience suivante: On a pris un barreau de fonte de 15 mm de diamètre de la composition sui vante
EMI0006.0014
Carbone <SEP> total <SEP> <B>3,1070</B>
<tb> Graphite <SEP> 2,29
<tb> Silicium <SEP> 1,40 Cette éprouvette a été traitée pendant 10 heures à la température de 530 avec l'appareil décrit précédemment pour le dur cissement des éprouvettes en acier, mais le gaz de circulation était simplement un cou rant d'air lent.
Après l'opération, on a constaté que l'é prouvette était recouverte d'un dépôt de car bone non adhérent de 3/ de millimètre d'é paisseur. D'autre part, l'examen micrographi- que montrait que l'éprouvette était décarbu- rée sur une profondeur de e/lo de mm, la cou che décarburée se distinguant nettement par l'absence presque complète de plages de cé- mentite.
Dans les exemples précédents, la fré quence vibratoire utilisée était de l'ordre de 8000 kilocycles, mais il est à noter que l'in vention n'est pas limitée à l'emploi de cette fréquence. On pourra utiliser suivant les cir constances la fréquence ultrasonore qui con viendra le mieux au cas particulier envisagé et qu'on pourra déterminer par des essais. On sait que par fréquences ultrasonores, on entend la plage de fréquence s'étendant de 30.000 cycles environ à 40 milliards de kilo cycles.