CH261440A - Procédé pour le durcissement par nitruration des surfaces d'articles en métaux ferreux. - Google Patents

Description

  Procédé pour le durcissement par nitruration des surfaces d'articles en métaux ferreux.    La présente invention a pour objet un  procédé pour le durcissement des sui-faces  d'articles en     métaux    ferreux, par nitruration.  



  Le durcissement par nitruration est très  pratiqué industriellement pour le durcisse  ment des surfaces d'alliages d'aciers divers,  aussi bien que d'autres alliages à base fer  reuse. Les procédés utilisés actuellement con  sistent généralement à chauffer un alliage  d'acier, ou autre alliage ferreux en contact  avec le gaz ammoniac à une température  élevée, habituellement aux environs de 490 à  5500 C. Pour produire une couche nitrurée  d'épaisseur suffisante pour la plupart des  usages commerciaux, on considère comme  nécessaire de prolonger le traitement par  l'ammoniaque pendant une période de temps  de 36 à<B>1.00</B> heures, suivant l'épaisseur de la  couche désirée.

   Pendant le traitement avec  l'ammoniaque à la température de nitrura  tion, des nitrures de, fer et d'autres éléments  présents sont produits et précipités entre les  plans des cristaux de fer, d'où résulte la for  mation d'une couche extrêmement dure et  résistante à l'usure.  



  Une très faible quantité seulement de  l'azote de l'ammoniaque introduite dans la  zone de réaction est absorbée par l'article en  alliage ferreux soumis à la nitruration. Néan  moins, un volume important d'ammoniaque doit  être employé pour circuler continuellement  à travers la zone de nitruration en vue de       s'assurer    que la réaction de nitruration se    produit à un taux satisfaisant. Le traitement  devant être continué pendant une période de  temps considérable, le procédé est prodigue  d'ammoniaque et la dépense d'ammoniaque  consommée entre d'une faon appréciable  dans le prix de revient de la nitruration.  



  Les procédés de nitruration, utilisés jus  qu'à. présent, ont été généralement limités au  traitement d'alliage ferreux de composition  spéciale. Les alliages ferreux employés le plus  fréquemment contiennent de faibles propor  tions, plus ou moins exactement contrôlées,  d'aluminium, de chrome, de molybdène et,  quelquefois, de nickel et de vanadium.  



  La présente invention permet d'appliquer  la nitruration à un plus grand nombre d'al  liages à base ferreuse qu'il n'a été possible  jusqu'à présent.  



  Elle permet aussi d'effectuer la nitrura  tion en un temps plus court que celui exigé  par les procédés actuels et de produire en  même temps une couche nitrurée dont les  caractéristiques de profondeur, de dureté et  les propriétés physiques seront en tous points  aussi satisfaisantes que celles obtenues par les  procédés     usuels.     



  Elle permet également de former des cou  ches nitrurées sur divers aciers austénitiques  et inoxydables sans avoir à pratiquer un trai  tement préliminaire de     dépassivation.     



  Il a été trouvé que la présence dans la  zone où s'effectue la nitruration, de com  posés chimiques, non carbonés et non oxy-           génés,    d'un métal alcalin ou d'un métal  alcalino-terreux avec l'azote, rend plus active  la     nitruration    d'articles     ferreux    dans une  atmosphère ou courant d'une matière gazeuse  engendrant de l'azote, telle     qué    l'ammoniaque,  avec production     d'une    couche nitrurée présen  tant des caractéristiques satisfaisants.

   Ces  composés chimiques peuvent être présents sous  forme gazeuse dans le courant     d'ammoniaque     ou autre gaz convenable engendrant de l'azote,  circulant sur l'objet à durcir     pendant    l'opé  ration de nitruration, ou bien ils peuvent  être présents sous une forme solide, dans le       voisinage    immédiat, ou en contact avec l'ob  jet. Lorsque le composé est présent sous  forme solide, mais pas en contact avec l'objet  à     nitrurer,        il    est de préférence placé de telle  faon que le gaz engendrant l'azote se trouve  en contact avec ce composé avant l'être  amené à réagir avec les pièces à nitrurer.

    Le composé peut aussi être présent comme  partie constituante d'un bain de sels fondus  dans lequel l'objet est     immergé    en vue du  traitement avec l'ammoniaque gazeux ou un  autre agent engendrant de l'azote. Lesdits  composés des métaux alcalins et alcalino-ter  reux peuvent également être obtenus en pla  çant le métal alcalin ou alcalino-terreux     lui-          même    dans le four à nitrurer, où     il    réagit  avec l'ammoniaque ou un autre gaz approprié  contenant de l'azote pour produire le composé  désiré.  



  Les composés de n'importe quel métal al  calin ou     alcalino-terreux    (ce dernier terme  englobant également le béryllium et le magné  sium) avec l'azote, ou l'azote et l'hydrogène,  peuvent être employés     pour    réaliser l'inven  tion.

       L'amidure    de sodium,     l'amidure    de     potas-          siiun,        l'amidure    de lithium,     l'amidure    de ba  ryum, l'azoture de sodium, l'azoture de potas  sium, le nitrure de lithium,     les    composés de       calcium-ammonium,        l'imidure    de lithium,       l'amidure    de rubidium et     l'amidure    de césium,  donneront des résultats satisfaisants. Les       amidures    de calcium et de strontium peuvent  aussi être employés.

   Le calcium et le     stron-          tiiun    réagissent avec l'ammoniaque pour former  en premier lieu des composés de calcium ou    de     strontium-ammonium    et à la température  de nitruration     un    mélange de ces composés et 5       d'amidure    peut être présent dans la zone de  réaction.  



  Pour exécuter le procédé, on peut placer  l'un de ces composés sur le parcours d'un  courant de gaz ammoniac, entre le réservoir ;  et la zone chauffée dans laquelle s'effectue la  nitruration. Ledit composé chimique est suffi  samment chauffé pour s'assurer qu'une par  tie en sera vaporisés et entraînée avec le gaz  ammoniac pour être transporté de ce fait dans ,  la zone de réaction. Au lieu d'utiliser le com  posé préalablement préparé, on peut employer  une quantité appropriée du métal alcalin ou  alcalino-terreux. Dans ce cas le métal réagit  d'abord avec l'ammoniaque et le composé,       @chiinique    en résultant est entraîné, par le cou  rant d'ammoniaque, dans la zone de     nitru-          ration.     



  Les effets désirés peuvent aussi être ob  tenus en     =plaçant,    dans la chambre de nitru  ration et dans le voisinage immédiat des  pièces à nitrurer, des masses solides d'une  matière de support chargée du composé choisi,  et en laissant ensuite l'ammoniaque rentrer  dans la chambre de la manière habituelle.

    Toute matière qui ne fond pas aux     tempéra-          tures    de nitruration (de 475 à 600  C) et qui  est apte à absorber une quantité     suffisante     dudit composé et à le libérer sous forme de  vapeurs     dans    les conditions où l'on opère, petit  être employé dans ce but,  Il a été trouvé, par exemple, que lorsque  du verre pulvérisé et un     amidure    d'un métal  alcalin ou alcalino-terreux sont chauffés en  semble dans une atmosphère d'ammoniaque  pendant un laps de temps convenable et à une  température égale ou supérieure à la tempé  rature de fusion de     l'amidure,        une    masse solide  peut être formée,

   contenant des quantités  variées et importantes     d'amiditre    du métal.  En traitant par exemple, du verre     pulvérisé     avec de     l'amidure    de sodium, des masses  solides contenant plus de 25     %        d'amidure    ont  été produites. Des masses de ce genre, ne con  tenant même qu'un faible pourcentage d'ami  dure de métal activent la nitruration lors-           qu'elles    sont placées dans le four de     nitrura-          tion    dans le voisinage des pièces à nitrurer.  La silice broyée et l'alumine sont également       des    matériaux qui peuvent, comme le verre,  servir de support.  



  Deux échantillons de métaux l'un de        Nitralloy    135 modifié , l'autre d'acier inoxy  dable  18-8 , on été placés dans un tube de  verre dans lequel a été placé également une  nacelle de nickel contenant une certaine quan  tité de verre réfractaire traité avec de     l'ami-          dure    de sodium de la manière décrite plus  haut. La masse de verre contenant 7,3       d'amidure    de sodium au début de l'expérience.

    Le tube a été placé dans un four dans lequel  la température était maintenue entre 525 et  540  C et du gaz ammoniac a été introduit       dans    le tube de manière à passer d'abord au  dessus de la masse     amidure    de sodium-verre,  et ensuite au-dessus des échantillons d'allia  ges. Après un traitement continu pendant 20       heures,    les échantillons ont été retirés. Des  sections transversales des échantillons ont été  préparées et examinées au microscope.

   Pour  l'échantillon de     Nitralloy,    la profondeur de  pénétration totale de nitruration a été trouvé  être de 0,51     mm.    Cet échantillon a montré  une dureté de surface de 92 sur l'échelle     Rock-          well    15 N. La couche blanche de nitrure, à la  surface de l'échantillon, connue couramment  sous le nom de couche blanche, avait une  épaisseur de 0,025 mm. Un constituant foncé  de nitrure aux limites des grains de fer était  apparent d'un bout à l'autre de la couche.  Une section transversale de l'échantillon  d'acier inoxydable a été préparée de manière  similaire et examinée.

   L'épaisseur totale de  pénétration de nitruration a été trouvée être  de 0,137 mm et la dureté de surface était  entre 93 et 94 sur l'échelle     Rockwell    15 N.  Examinés à un grossissement de 500, ces  échantillons, indiquaient, l'un et l'autre, une  couche ayant, en général, de     bonnes    caracté  ristiques. Une analyse de la masse     verre-ami-          dure,    après achèvement de l'expérience, indi  quait une quantité résiduaire     d'amidure    de  sodium de<B>0,7%.</B>  



  Dans un autre essai, de l'alumine en pou-         dre,    traitée de la même manière que la masse  de verre dans l'essai précédent a. été employée.  L'alumine traitée contenait au début de     l'essai     13,3 %     d'amidure    de sodium et 2 % à la fin.       L'alumine    en poudre était placée dans une  nacelle de nickel .avec un échantillon de        Nitralloy    135 modifié  reposant sur de l'alu  mine pulvérisée près de l'extrémité de la  nacelle. Cette nacelle avec son contenu était  placée dans un tube de ,verre et le tout  chauffé dans un four à une température d'en  viron 575  C pendant 24 heures.

   Pendant ce  temps, du gaz ammoniac était envoyé dans le  tube dans la même direction et dans le même  rapport avec l'alumine traitée que dans l'essai  précédent, c'est-à-dire que l'ammoniaque pas  sait d'abord sur une partie de l'alumine et  entrait ensuite en contact avec l'échantillon,  en circulant à travers le tube. Un examen de  l'échantillon nitruré montrait une profondeur  de pénétration totale de nitruration de  0,584 mm, pour l'échantillon de     Nitralloy    et  une durée de surface de 94,5 sur l'échelle       Rockwell    15 N.  



  Il a aussi été trouvé que lorsqu'un métal  alcalin ou le baryum, par exemple, est placé  dans une nacelle de nickel à l'intérieur d'un  tube de verre, et que du gaz ammoniac est  envoyé à travers le tube chauffé,     l'amidure     formé par la réaction de l'ammoniaque sur  le métal alcalin ou le baryum, est absorbé par  le verre du tube à un tel point que la réac  tion de nitruration opérée par la suite dans  le tube est favorablement influencée.

   Par  exemple, lorsqu'un échantillon de métal        Nitralloy    135 modifié , placé dans un tube  de verre     réfractaire    ayant préalablement ab  sorbé de     l'amidure    de sodium, a été exposé à  un courant de gaz     ammoniac    circulant dans le  tube pendant 36 heures, à une température  d'environ 520 à 550  C, on a obtenu une cou  che nitrurée de plus de 1,067 mm. La couche  montrait une dureté     dépassant    90 sur l'échelle       Rockwell        1.5N    même à une profondeur de  0,33     mm    et une dureté de plus de 85 sur la  même échelle à une profondeur de 0,89 mm.  



  Dans une autre expérience, des échantil  lons de      Nitralloy    135 modifié  et d'acier in-      oxydable  18-8  ont été nitrurés dans un  tube de verre préparé de façon     analogue    à  celle décrite précédemment, mais en disposant  du baryum dans la nacelle. De l'ammoniaque  gazeux circulait dans le tube pendant 20 heu  res, pendant que la température était main  tenue de 520 à 570  C. L'échantillon de        Nitralloy    135 modifié  montrait une dureté  de surface de 96 sur l'échelle     Rockwell    15 N  et une épaisseur de couche de 0,28 mm.  L'échantillon d'acier inoxydable était muni       d'iune    couche d'une épaisseur de 0,094 mm.  



  Des échantillons de      Nitralloy    135 modi  fié  et d'acier inoxydable  18-8  ont été  également nitrurés en présence d'un composé  azoté formé à partir de calcium et d'ammo  niaque. Les échantillons étaient placés sur le  dessus d'une nacelle en métal contenant du  calcium métallique, avec une partie de l'échan  tillon d'acier inoxydable dépassant le bord de  la nacelle; la nacelle et les échantillons ont  été exposés à un courant de gaz ammoniac à  une température de 525 à 575  C.  



  Après     une    nitruration de 10 heures,  l'échantillon de      Nitralloy    135 modifié  mon  trait     une    dureté de surface de 92,5 sur  l'échelle     Rockwell    15 N et une couche d'épais  seur de 0,46 mm. L'échantillon d'acier inoxy  dable  18-8 , nitruré dans les mêmes     condi-          >        tions    pendant 24 heures, montrait une couche  nitrurée de 0,152 mm.

   Il est intéressant de  noter que la partie de l'échantillon d'acier  inoxydable qui dépassait le bord de la nacelle  et qui, par conséquent, était exposée princi  palement à l'ammoniaque     seule,    n'avait pas  été nitrurée du tout pendant les 24 heures  de traitement.  



  L'acier à nitrurer, employé dans ces expé  riences, et vendu     aux    Etats-Unis sous le nom  commercial de      Nitralloy    135 modifié , con  tient  Carbone 0,38-0,45  Manganèse     0,40-0,70%          Silicimn    0,30 % maximum  Chrome 1,40-1,80  Aluminium 0,95-1,45%       NQlybdène    0,30-0,45    Les échantillons d'acier inoxydable étaient  formés d'un alliage contenant 18     %    de chrome  et 8     %    de nickel.  



  La présence d'alcali caustique dans la zone  <B>de</B> réaction pendant la nitruration influence  défavorablement la dureté de la surface  nitrurée et doit, de préférence, être évitée.  Si, par exemple, les conditions sont telles  qu'elles conduisent à la formation, par exem  ple, d'hydroxyde de sodium, il est recomman  dable de prendre des mesures pour éviter cette  formation où du moins l'accès de l'alcali caus  tique aux pièces en traitement. Il a été trouvé  que le verre du mélange     amidure    de     sodium-          verre,    décrit précédemment, agissait à cet  effet de manière satisfaisante.

   Le même résul  tat est obtenu quand la nacelle, contenant la  matière activant la réaction de nitruration, ,  est placée suffisamment en avant de la pièce  à nitrurer dans le tube de verre, dans la  direction de l'arrivée de     l'ammoniaque.    Dans  ce cas on peut être assuré que tout hydroxyde  de sodium ou autre alcali caustique éven  tuellement formé aura réagi avec les com  posants     silicieux    du tube de verre avant de       pouvoir    être entraîné par le courant d'ammo  niaque et mis en contact avec l'objet à  nitrurer.

   Dans le cas où la matière activant  la réaction de nitruration est une de celles  qui forment un hydroxyde ayant une faible  tension de vapeur, tel que l'hydroxyde de  baryum, l'hydroxyde de magnésium et l'hy  droxyde de calcium, l'objet à nitrurer peut.  être placé en contact direct avec de telles  matières, ces dernières étant sous forme  liquide ou solide, sans crainte d'affecter défa  vorablement la dureté de la surface du métal  nitruré. Il en est de même lorsque le composé  utilisé pour activer la nitruration est porté  par du verre réduit en poudre.  



  Les composés activant la réaction de nitru  ration spécifiés ci-dessus peuvent aussi être  employés sous forme de constituants d'un  bain dans lequel est immergée la pièce à.  nitrurer. Pendant l'opération de nitruration,  un courant de gaz approprié, dégageant de  l'azote, de préférence du gaz ammoniac, est  mis en circulation à travers le bain à un      taux approprié, suivant la température et la  composition du bain.  



  Le bain peut être préparé en faisant pas  ser du gaz ammoniac à travers un métal  alcalin fondu ou un métal. alcalino-terreux  ou un mélange de métaux. Dans certains cas,  il est avantageux de former le bain directe  ment dans le récipient dans lequel doit s'ef  fectuer la nitruration. Le récipient peut être  rempli avec le métal jusqu'au niveau désiré  et le four amené à la température voulue. Le  courant d'ammoniaque peut alors barboter à  travers le métal fondu pendant un temps  suffisant pour transformer effectivement tout  le métal ou composés du métal avec l'azote  ou l'azote et l'hydrogène.  



  En employant. un bain de composé métal  lique fondu, il est préférable d'utiliser un  mélange de métaux choisis pour produire un  degré optimum de fluidité avec un minimum. de  vaporisation. Par exemple, un bain     d'amidu-          res    de métaux tel qu'un mélange     d'amidure     de calcium et     d'amidure    de baryum donnera  un résultat très satisfaisant.

   De même, du  calcium peut être ajouté à un bain     d'amidure     de sodium, pour former un mélange de       Ca.iN_II,,,    avec     l'amidure    de sodium, ou bien  du magnésium peut être ajouté à un bain       d'amidure    de sodium pour former         Na.-,Mg    (NH)     .,,        2NH.,.       lia présente invention n'est pas limitée  aux conditions opératoires exposées ci-dessus,  notamment en ce qui concerne les composés  azotés activant la nitruration et les matières  de support énumérés, la durée du traitement,  etc.

   Le procédé est applicable aux alliages  ferreux de compositions autres que celles men  tionnées plus haut, y compris non seulement  de nombreux autres alliages d'acier, mais       aussi    divers types d'alliages de fonte qui,  jusqu'à présent., n'ont pas été considérés       eomme    susceptibles de nitruration.  



  Des propositions antérieures ayant pour  objet l'usage de     cyanamide    de calcium et de  divers composés azotés organiques, comme       activeurs    de nitruration, sont connues, mais    il ne parait pas que les résultats obtenus  aient été suffisamment probants pour per  mettre l'adoption de ces propositions dans l a  pratique commerciale.

Claims (1)

1. REVENDICATION Procédé pour le durcissement, par nitru- ration, des surfaces d'articles en métaux fer reux, caractérisé en ce que l'on chauffe les dits articles dans des conditions telles qu'ils soient. en contact avec un gaz générateur d'azote pendant le chauffage et, durant au moins une partie de celui-ci, avec au moins un composé non carboné et non oxygéné de l'azote avec un métal du groupe des alcalins et alcalino-terreux. SOZTS-REVENDICATION S 1. Procédé selon la revendication, carac térisé en ce que l'on amène ledit composé de l'azote en contact avec les articles à nitrurer, sous la forme de vapeurs portées par un courant de gaz ammoniac. 2.

   Procédé selon la revendication, carac térisé en ce que ledit composé de l'azote est fixé sur Lin matériau de support solide, sous forme granulaire. 3. Procédé selon la revendication, earac- térisé en ce que l'on soumet les articles fer reux à la nitruration en les plongeant dans un bain liquide contenant ledit composé de l'azote, ce bain étant traversé par un courant du gaz générateur d'azote. 4. Procédé selon la revendication, carac térisé en ce que ledit composé de l'azote est un composé azote-hydrogène-calcium. 5.

   Procédé selon la revendication, carac térisé en ce que les articles traités sont consti tués en un acier austénitique et sont soumis à la nitruration sans dépassivation préalable de l'acier. 6. Procédé selon la revendication, carac térisé en ce que les articles traités sont eonsti- tués en un acier inoxydable et sont soumis à la nitruration sans dépassivation préalable de l'acier.