FR2741361A1 - Procede pour traitement thermochimique de surface par immersion dans un plasma, installation pour ce procede, utilisations et pieces obtenues - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé pour le traitement de surface de pièces, du type thermochimique par immersion dans un plasma, suivant lequel on excite un gaz comportant un élément de liaison, en particulier un des éléments C, N, O, B, Si, S, au moyen d'au moins une décharge à basse tension, pour assurer une modification superficielle des pièces de manière thermochimique, caractérisé en ce que les pièces sont mises à un potentiel électrique positif par rapport à la cathode de la décharge à basse tension. L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé, ainsi que les pièces améliorées obtenues par utilisation de ce procédé.

Description

La présente invention concerne un procédé pour le traitement superficiel de pièces, du type thermochimique avec immersion dans un plasma, suivant lequel on excite un gaz avec un élément de liaison, en particulier au moins un des éléments C, N, O, B, Si, S, au moyen d'au moins une décharge à basse tension, en vue d'une modification thermochimique de surface.

Elle a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé, ainsi que des applications préférées de ce procédé ou de cette installation et que des pièces telles qu'elles peuvent être obtenues par la mise en oeuvre d'un tel procède ou par l'utilisation d'une telle installation.

Dans l'industrie, on utilise actuellement dans une large mesure des procédés de traitement superficiel de pièces qui sont de nature thermochimique et assistés par plasma. En comparaison avec les traitements de surface effectués au moyen de bains de sels ou en phase gazeuse, ils fournissent la possibilité de réaliser une grande diversité de couches de revêtement superficiel différentes et de faire varier simultanément les propriétés résultantes en fonction des paramètres de traitement.

A ce sujet, on se réfère ici à l'article de Th.

Lampe "Plasmawärmebehandlung von Eisenwerkstoffen,
Stickstoff und Kohlenstoff-Gasgemischen", paru dans Fortschrittsberichte VDI série 5, Ns 93, Düsseldorf 1985.

Pour le traitement utilisé le plus fréquemment dans l'industrie, à savoir la nitruration de surfaces, on utilise une décharge électrique luminescente de type anormal, en connectant les pièces à traiter au potentiel cathodique. Dans ce cas, la densité de courant ionique sur les pièces est uniforme sur la surface de la cathode et elle augmente avec la tension de décharge appliquée. Les générateurs de courant utilisés pour la décharge doivent fournir des tensions élevées, pour une puissance réglable et pouvant être maintenue constante, afin d'initier la décharge, et ensuite de la maintenir en fonction de la surface à traiter, de la pression de travail dans le récipient de traitement et de la température opératoire désirée.

On utilise des densités de puissance de 0,1 à 4 W/cm2 (voir T. Lampe et S. Eisenberg, Z. Werkstofftechn.

17, 183-189 (1986)) et une pression de travail comprise entre 1 et 10 hPa. Les plasmas ainsi utilisés sont désignés sous l'appellation de "plasmas faiblement ionisés", du fait du rapport entre la densité des particules chargées électriquement, électrons ou ions, et de la quantité d'espèces neutres présentes. Ces rapports sont dans l'ordre de grandeur de lO10 particules par cm3 en ce qui concerne les électrons et les ions, pour une pression de travail de 4 hPa et une densité totale de 5,8 . 106 particules par cm3 (voir J.L. Marchand et al, Proc. of 1st International
Conference on Ion Nitriding, Cleveland, USA, 1986).

En perfectionnement au procédé précité, on dissocie les fonctions de chauffage des pièces et la création d'espèces réactives. Dans ce but, on prévoit, dans les récipients de traitement, des dispositifs séparés de chauffage, du type à convection ou à résistances.

En outre, on utilise alors, pour la réalisation du traitement sous plasma, des générateurs électriques qui sont en mesure, en ce qui concerne la fréquence de répétition et le rapport cyclique, de délivrer des courants variables pulsés, et donc de donner naissance à des plasmas pulsés. L'intérêt technologique lié à cette technique est basé sur la réduction des arcs électriques ("arcing") et sur le fait que les puissances qui sont appliquées aux pièces - puissance de chauffage, pénétration de la décharge - peuvent être réglées facilement. A ce sujet, on se réfère à R. Grün, Proc. Int. Seminar on Plasma Heat
Treatment, CETIM Senlis, PYC édition, Paris, (1987),
Page 417.

Pour augmenter le rendement du plasma, on a aussi développé des systèmes de décharge triode à courant continu (A. Matthews, J. Vac. Sci. Technol., A3, (1985), page 2354), dans lesquels, en plus des électrodes de décharge, on utilise une électrode support de pièce qui, par rapport à la cathode de décharge, est portée à un potentiel négatif. Au moyen d'une cathode chaude à émission thermoionique, on met en oeuvre une décharge à basse tension semi-autonome. Au contraire, on définit en tant que décharges à basse tension autonomes ou décharges à basse tension à cathode froide, des formations d'arc à cheminements de décharge à densité de courant élevée, sans énergies d'excitation supplémentaires à 1'énergie de décharge.

Dans le cas précité de l'utilisation de décharges à basse tension autonomes, les pièces sont soumises à des valeurs de potentiel d'environ - 500 V à - 1000 V, donc négatives.

En résumé, on peut dire que, dans la procédure usuelle, les pièces sont soumises à un potentiel négatif relativement à la décharge, et que suite à la décharge, les ions positifs sont attirés avec l'élément de liaison.

L'utilisation d'une décharge à basse tension semiautonome au moyen d'une électrode support de pièce portée à un potentiel négatif par rapport à la décharge, de par exemple - 600 V, est connue d'après le brevet américain 4 762 756 de la déposante titulaire de la présente demande.

I1 est avantageux que, suivant ce procédé, la densité de courant qui est appliquée aux pièces à traiter peut être réglée par le courant de chauffage de la cathode, alors que le potentiel auquel les pièces sont soumises peut être réglé indépendamment.

Il en résulte une meilleure capcité à maîtriser les types d'espèces réactives intervenant en interaction avec les pièces à traiter et leurs énergies. Il est donc possible de réduire - jusqu'à environ - 200V - le potentiel négatif, par rapport à la cathode ou à la décharge, qui est appliqué aux pièces, et de réaliser le traitement à des pressions totales plus faibles, de l'ordre de grandeur de 1 Pa, et même très inférieures à celles nécessaires pour stabiliser de simples décharges à deux électrodes.

Lors de l'utilisation de décharges semi-autonomes à basse pression, mais aussi de décharges autonomes à basse tension, la densité d'ions est plus élevée de plusieurs ordres de grandeur que dans le cas de décharges à haute tension à immersion dans un plasma, alors que cependant, l'énergie d'impact des ions sur les pièces est plus faible, en raison de la réduction du champ d'accélération. Le chauffage des pièces peut alors être réalise au moyen d'un dispositif de chauffage additionnel ou par la décharge elle-même.

Dans la pratique, le traitement par nitruration est réalisé dans une atmosphère de traitement impliquant N, H, et C sous la forme de composés hydrocarbonés, en complément à de l'argon ou, plus généralement, un gaz rare.

On se référera à ce sujet à W. L. Grube et al., J.

"Heat Treating 2, 1982, 211-216", et à H. Michel, "Le vide,
Les Couches Minces, Ne 266, 1993, pages 197-206".

Pour la cémentation des surfaces de pièces, on utilise des atmosphères gazeuses comportant généralement des hydrocarbures du type méthane ou propane et de l'hydrogène ; pour cela, on se référera à V. N. Blinov, mental Sci. Heat Treatm." 24, 1982, 45-47" et à P.

Collignon, Thèse, Université de Nancy I, 1978.

Pour la nitruration des surfaces de pièces, on utilise généralement des températures de pièces comprises entre 3500C et 5700C, alors que pour la cémentation, des températures de pièces comprises entre 8000C et 10000C sont usuelles.

La présente invention a pour objet, comme il est visé en introduction, un procédé ou une installation grâce auxquels on réalise un traitement de surface thermochimique par immersion dans un plasma au moyen à d'une décharge à basse tension. De préférence, on utilise une décharge à basse tension semi-autonome, et dans ce cas, de manière préférée, avec une cathode chaude.

Le problème à la base de la présente invention est, en partant d'un tel procédé, d'augmenter la cinétique du processus de traitement, dans le sens d'une augmentation du rapport "effet du traitement de surface / unité de temps de traitement". Il est également d'obtenir une microstructure de surface de la pièce traitée restant sensiblement identique à celle de la pièce non encore traitée.

Dans le cas des procédés de traitement connus qui sont décrits plus haut et dans lesquels les pièces sont portées, par rapport à la cathode ou à la décharge, à un potentiel d'attraction ionique négatif, les énergies d'impact des ions relativement élevées qui en résultent conduisent à une augmentation notable de la rugosité de la surface. La surface de pièces polies doit être soumise de nouveau à un polissage après le traitement concerné, ce qui peut être extrêmement coûteux dans le cas de la production de couches dures.

Ce problème est résolu par l'invention. Celle-ci propose un procédé pour le traitement de surface de pièces, du type thermochimique par immersion dans un plasma dans lequel on excite un gaz comportant un élément de liaison, constitué en particulier par au moins un des éléments C, N,
O, B, Si, S, au moyen d'au moins une décharge à basse tension de sorte que la surface des pièces est modifiée de manière thermochimique, caractérisé en ce que les pièces sont mises à un potentiel électrique positif par rapport à la cathode de la décharge à basse tension, que ce soit par utilisation d'un potentiel flottant non bloqué, préférentiellement, ou par blocage à un tel potentiel.

Suivant des caractéristiques secondaires du procédé de l'invention
- les pièces sont portées au potentiel de l'anode de la décharge à basse tension ou à un potentiel flottant
- la décharge à basse tension est effectuée sous la forme d'une décharge autonome, en particulier sous la forme d'une décharge au moyen d'une cathode chaude à émission d'électrons
- les pièces sont disposées pour la décharge essentiellement de manière centrée par rapport à une anode annulaire et/ou une anode cylindrique
- les pièces sont chauffées au moyen d'un dispositif de chauffage indépendant de la décharge.

Une installation suivant l'invention de ce procédé comporte au moins une voie de décharge à basse tension et un dispositif support de pieces disposé dans un récipient à vide qui est relié à un dispositif de réservoir de gaz contenant d'une part un gaz rare (Ar) et, d'autre part, un gaz comportant au moins un des éléments C, N, O, B, Si, S.

Elle est caractérisée en ce que le dispositif support de pièces est soit isolé électriquement des autres éléments de l'installation, soit branché sur une source électrique au moyen de laquelle il peut être mis à un potentiel élec trique qui est plus positif que le potentiel électrique pouvant être appliqué à la cathode de décharge.

Des variantes de réalisation préférées se caractérisent en ce que
- la voie de décharge comporte une cathode chaude à émission d'électrons
- le dispositif support de pièces comprend un circuit de fluide de refroidissement
- dans le récipient, il est prévu un dispositif de chauffage, disposé de préférence le long de régions essentielles de la paroi du récipient et coaxialement à l'axe du trajet de décharge qui, encore de préférence, est muni, contre l'extérieur du récipient et/ou son intérieur, d'un dispositif d'écran thermique, ce dernier pouvant être branché, au moins partiellement, de préférence, en tant qu'anode de la décharge
- l'anode de décharge est constituée par une anode annulaire et/ou une anode cylindrique qui, en ce qui concerne la distance, est disposée essentiellement de manière coaxiale par rapport à l'axe de la décharge, sur lequel le dispositif support de pièces est centré de préférence
- l'anode de décharge constitue en même temps au moins une partie d'un dispositif d'écran thermique d'un dispositif de chauffage.

Le procédé et l'installation suivant l'invention conviennent notamment pour le traitement de surface d'acier de construction, d'acier d'outillage, d'aciers inoxydables martensitiques ou austénitiques ou d'alliage de titane, et en particulier pour la nitruration.

L'invention a également pour objet les pièces obtenues par la mise en oeuvre du procédé ou de l'installation suivant l'invention.

Dans une variante préférée, une telle pièce, comportant une matière de base en acier de construction ou en acier d'outillage avec une zone nitrurée de diffusion de surface de la matière de base, est caractérisée en ce que, dans la direction partant du corps de base, la zone de diffusion présente de manière prédominante le plus à l'extérieur une zone de pourtour de composition Fe2,3N e.

Suivant d'autres caractéristiques d'une telle pièce
- le rapport de l'épaisseur de la zone de diffusion à l'épaisseur de la zone Fe2,3N E vaut de 2 . 10 à 3 . 10 6 -6
de de préférence 2,5 . 10
- la concentration en azote N dans la zone Fe2,3N e est supérieure à 24 atomes en pourcentage, et de préférence comprise entre 25 atomes en pourcentage et 30 atomes en pourcentage ;
- la structure superficielle de la matière de base nitrurée est essentiellement la même que celle de la même matière de base mais non nitrurée.

Une telle pièce, dans les variantes préférées de l'invention résiste pendant plus de 10 heures, de préférence plus de 20 heures, et de préférence même 24 heures, à un essai de brouillard selon la norme DIN 50021, et la capacité de charge de grippage de la surface est supérieure à 1500 N, et de préférence d'environ 2000 N.

Il est surprenant que le traitement de surface des pièces en cause soit possible, dans le sens du problème posé, avec un rendement plus élevé par unité de temps, tout en préservant la structure de surface originelle, confor mément à l'invention, bien que les pièces soient soumises à un potentiel positif par rapport à la cathode de décharge et qu'il ne se produise pas, de ce fait, de bombardement ionique.

L'invention sera décrite ci-après par des exemples en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique d'une première variante d'une installation selon l'invention destinée à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans un premier mode de réalisation
- la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1 pour une deuxième variante de l'installation selon l'invention, destinée à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sous une deuxième forme préférée ;;
- la figure 3 illustre, sous la forme d'un schéma synoptique, d'autres variantes de l'installation selon l'invention ainsi que leurs possibilités de fonctionnement
- la figure 4 est une représentation de la cinétique de traitement dans le cas de la nitruration de deux aciers
- la figure 5 est une représentation de la cinétique de traitement dans le cas d'un procédé à deux électrodes avec une décharge luminescente de type anormal faisant application de l'invention ;
- les figures 6a et 6b représentent chacune une micrographie de pièces suivant l'invention.

La présente invention est mise en oeuvre de manière préférentielle pour traiter les surfaces d'aciers de structure, ou d'aciers d'outillage, parmi ceux-ci d'aciers pour le travail à chaud ou d'aciers pour le travail à froid, d'aciers inoxydables martensitiques, d'aciers inoxydables austénitiques ou d'alliages de titane. I1 s'agit en particulier en y incorporant au moins un des éléments C, N, O, B, Si ou S ou une combinaison de ces éléments, et plus particulièrement avec intervention de N en tant que tel élément.

C'est pourquoi on se référera dans la suite à la nitruration.

Conformément à la figure 1, il est raccordé par brides sur un récipient à vide 1, de part et d'autre d'un diaphragme 3, une chambre cathodique 5 dans laquelle est montée une cathode hélicoïdale 7 à émission thermique d'électrons, laquelle est reliée, de préférence en tant que cathode à chauffage direct, à un générateur de courant de forte intensité 9 assurant l'alimentation en courant de chauffage 1M Dans la chambre de cathode 5 débouche une conduite d'introduction de gaz 11 destinée au gaz de travail de la décharge, de préférence, de l'argon. Le récipient 1 est mis sous vide au moyen d'un raccordement à une pompe 13. Dans le récipient à vide 1 débouche une conduite de gaz réactif 15 qui est reliée à au moins un réservoir de gaz 17 par l'intermédiaire d'une vanne de régulation 19.

Le réservoir de gaz 17 contient un gaz réactif comportant au moins un élément de liaison, capable de former un composé, à savoir au moins un des éléments C, N,
O, B, Si, S, avec de préférence au moins un tel élément étant l'azote N.

En face du diaphragme 3 il est prévu une anode support de pièce 21 qui est refroidie par un circuit 23 de fluide de refroidissement, de préférence un circuit d'eau.

L'anode support de pièce 21 est isolée électriquement par rapport au récipient à vide 1, qui est maintenu à un potentiel de référence, de préférence le potentiel de la masse.

Entre la cathode 7 et l'anode support de pièce 21 est branchée la source de tension continue 25 pour le fonctionnement en décharge semi-autonome à basse tension 27, l'anode support de pièce 21 étant par définition portée à un potentiel positif par rapport à la cathode 7.

Dans le récipient à vide 1 il est prévu un dispositif de chauffage 29, qui est de manière préférentielle monté le long de la paroi du récipient autour de l'anode support de pièce 21. Des écrans thermiques, référencés respectivement 31a et 31i, sont avantageusement prévus en association, à l'extérieur et/ou à l'intérieur de ce dispositif de chauffage. Les pièces à traiter 33 sont disposées sur le dispositif support de pièces.

Le cas échéant, on peut procéder conformément à la présente invention, sans prévoir le dispositif de chauffage 29, les pièces 33 étant alors chauffées par le courant d'électrons, qui peut être réglé par la détermination du circuit du courant de chauffage IH au niveau de la source de courant de chauffage 9.

Comme cela a été indiqué, les pièces 33 sont, conformément à la figure 1, portées au potentiel de l'anode de décharge.

Toutefois, selon l'art et de manière préférentielle, les pièces sont portées pendant la décharge à un potentiel flottant. Dans ce cas, également conformément à l'invention, elles restent à un potentiel qui est plus positif que le potentiel de la cathode 7.

Sur la figure 2, on a représenté, en partant de la représentation de la figure 1, une variante de réalisation préférée d'une installation conforme à l'invention, qui est destinée à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sous plusieurs variantes.

Pour les mêmes éléments, on a utilisé les mêmes références que sur la figure 1. On ne décrira que les différences par rapport à la figure 1.

Dans le récipient 1, l'anode est constituée, par rapport à la cathode 7, par au moins une partie 21a du cylindre formant écran thermique intérieur 31i, sous la forme d'une anode cylindrique. Avec des parties en section d'isolement électrique 43, on peut alors séparer à volonté une partie cylindrique active électriquement pour le fonctionnement en anode, de la partie cylindrique restante qui n'est active que thermiquement. On peut aussi utiliser l'ensemble du cylindre intérieur formant écran thermique 31i de la figure 1 en tant qu'anode 21a.

On prévoit un support de pièces 39 qui, comme cela est illustre par un élément de fixation 41, isolant du point de vue électrique, est maintenu à un potentiel flottant dans l'enceinte de traitement 27. Son potentiel, qui est de toutes les façons plus élevé que celui de la cathode 7, se règle de manière automatique suivant les conditions électriques de l'enceinte de traitement 27.

A la place ou en plus de l'anode cylindrique 21a, dans chacune des formes de réalisation citées, on peut prévoir une ou plusieurs anodes annulaires 21b dont la position, comme représenté par la double flèche z, est choisie le long de l'axe de décharge A selon les besoins.

La source de tension continue de décharge 25 met à leurs potentiels respectifs d'une part la cathode 7 et, d'autre part, l'anode cylindrique 21a et/ou la au moins une anode annulaire 21b prevue le cas échéant. Cette possibilité de choix est représentée schématiquement de manière graphique par l'unité de sélection 40. Comme cela est en outre représenté en trait interrompu, le support de pièces 39 peut également être bloqué à un potentiel indépendant du potentiel de l'anode, de manière positive par rapport au potentiel de la cathode 7, par exemple au moyen d'une source de tension 26, de préférence réglable.

Egalement pour le support de pièces 39 de la figure 2, on peut, le cas échéant, comme cela a déjà été illustré au moyen de la figure 1, prévoir un circuit de fluide de refroidissement (non représenté).

Dans le cas de la réalisation, respectivement de la variante de procédure de la figure 1 (pièces sur l'anode de décharge), il est avantageux d'assurer que le rapport de la densité des espèces réactives à l'énergie électrique utilisée (rendement) soit élevé en utilisant un plasma extrêmement dense pour une puissance de décharge électrique donnée. L'inconvénient dans ce cas est que, le long de l'anode support de pièce 21, il se produit une répartition de températures qui n'est pas homogène de façon optimale du fait de la densité du courant d'électrons se trouvant dans la décharge et tombant radialement par rapport à l'axe de décharge A.

Si la section de décharge est élargie conformément à la figure 2, en prévoyant l'anode cylindrique et/ou annulaire 21a, 21b qui entoure à distance la zone prévue pour la réception des pièces 33, l'homogénéité de la densité des espèces réactives et l'homogénéité de la répartition des températures sur les pièces 33 sont nettement meilleures. Grâce à cela, on obtient une amélioration importante en ce qui concerne l'obtention d'un traitement métallurgique semblable localement sur les pièces 33 traitées simultanément.

Mais dans ce cas, conformément au procédé de la figure 3, il convient d'utiliser une puissance de plasma plus élevée pour obtenir sur les pièces une densité d'espèces réactives qui est égale à celle de la figure 1.

Le fait de soumettre les pièces à un potentiel flottant présente en outre l'avantage que le chauffage s'effectue de manière indirecte, aucun courant de décharge ne s'écoulant sur les pièces. Pour une densité de plasma donnée, on peut donc obtenir, indépendamment de la répartition de la densité du plasma, une température relativement homogène sur les pièces.

En prévoyant le dispositif de chauffage 29, on obtient un chauffage des pièces, l'influence de la décharge du plasma sur les pièces étant réduit en ce qui concerne la répartition homogène de la température. Grâce à cela, on peut optimiser la puissance du plasma en considérant la densité des espèces réactives, indépendamment de la détermination de la température des pièces, c'est-à-dire que l'on obtient un degré de liberté supplémentaire. Les carac téristiques thermiques et les caractéristiques de la réactivité du plasma sont nécessairement dissociées pour entreprendre un traitement déterminé.

Les avantages obtenus conformément à l'invention par rapport aux procédés connus jusqu'à maintenant, dans lesquels les pièces sont mises à un potentiel égal ou négatif par rapport à la cathode, sont les suivants:
L'influence du traitement sur la structure des surfaces des pièces à traiter est fortement réduite.Ainsi, par exemple, la surface de pièces en acier du type 35 NCD 16 poli, de rugosité Ra = 0,05 um, passe, après une nitruration selon l'invention à 520 C pendant 4 heures, à une rugosité Ra = 0,1 pm. Mais si la meme pièce est portée à un potentiel d'environ - 200 V et qu'elle est traitée par ailleurs avec des paramètres identiques, on obtient, du fait du bombardement ionique, une rugosité de surface après traitement de Ra = 0,32 um. Dans les deux cas, on obtient, pour la nitruration en cause, une profondeur de nitruration d'environ 170 ,um.

En outre, la phase de préparation pour les traitements de surface thermochimiques concernés est toujours chimique. Cela signifie que l'on utilise un plasma à base d'argon et d'hydrogène pour préparer les surfaces à traiter par diffusion, par exemple d'azote dans le matériau. Pendant cette phase, les pièces sont maintenues, de manière usuelle, au potentiel flottant. De ce fait, dans le cas du traitement conforme à l'invention avec des pièces maintenues au potentiel flottant, il est possible de passer directement de la phase de préparation à la phase de traitement. Même pour des aciers inoxydables austénitiques du type AISI 316 L, il est surprenant que pour le traitement selon l'invention, le bombardement ionique des pièces qui est usuel dans les autres cas n'est pas nécessaire.De ce fait, les coûts d'installation sont réduits du cout d'un générateur supplémentaire destiné à mettre les pièces au potentiel.

En outre, dans le cas de la procédure conforme à l'invention avec des pièces maintenues au potentiel flottant, il n'est pas nécessaire de prévoir des systèmes supplémentaires destinés à éviter la formation d'arc sur les pièces.

Si l'on compare avec les procédures connues dans lesquelles les pièces sont positionnées sur la cathode de décharge, on obtient en outre, conformément à l'invention, les avantages suivants
Les sources de fonctionnement de la décharge sont largement moins coûteuses que celles qui sont nécessaires pour des décharges automatiques, que ces dernières soient pulsées ou non.

La consommation de gaz réactif est, conformément à l'invention, nettement plus faible, du fait que les pressions de travail sont plus faibles. En outre, il n'existe pas, suivant l'invention, de problèmes d'arc sur les pièces. Grâce au procédé selon l'invention, la cinétique, c'est-à-dire l'efficacité de traitement par unité de temps de traitement, est fortement augmentée, d'un facteur qui est ainsi, par exemple, de 2 à 3 pour la nitruration d'acier avec mise des pièces à un potentiel flottant.

En outre, grâce au procédé selon l'invention, comme cela a été indiqué, la surface des pièces n'est pas modifiée de manière significative.

Grâce au procédé selon l'invention, il est possible de réaliser des configurations de couches conformes à l'invention qui sont d'un type nouveau, par exemple des couches constituées de nitrure de fer E, de Fie=3 N e essentiellement exemptes de carbone. Ce type de couches présente une résistance à la corrosion plus élevée en comparaison générale avec des couches qui peuvent être produites sous un bombardement ionique intensif. Par exemple, la tenue au brouillard salin selon la norme
DIN 50021 d'un acier 35 CD 4 traité avec un dispositif à bombardement ionique n'est seulement que de 5 heures, alors que le meme acier traité avec un potentiel flottant selon l'invention résiste pendant 24 heures.

Dans le cas préféré où l'on prévoit un dispositif de chauffage, comme représenté en 39, et par suite, la dissociation du réglage de la température des pièces de la création d'espèces réactives, une amélioration importante de la conduite du procédé est possible.

Sur la figure 3, on a représenté, de manière résumée, plusieurs possibilités de disposition du support de pièces 39 ainsi que d'une ou plusieurs anodes annulaires 21b et/ou de l'anode cylindrique 21a par rapport à la cathode 7, de manière analogue aux réalisations de la figure 2, les possibilités étant de nouveau représentées graphiquement au moyen d'unités de sélection 42, respectivement 44.

On illustrera maintenant par des exemples la mise en oeuvre du procédé selon l'invention dans le cadre de la nitruration:
Dans les exemples conformes à l'invention qui suivent, le traitement a été entrepris avec une installation selon la figure 3 et les pièces ont été maintenues à un potentiel flottant.

Après que les pièces aient été placées dans le récipient à vide, ce dernier est mis sous un vide de 0,02 Pa et les pièces sont chauffées à la température nécessaire pour le traitement au moyen du dispositif de chauffage 29 représenté sur la figure 3. Après quelques minutes, on introduit de l'argon sous une pression de 0,3 Pa et on chauffe la cathode 7. Ensuite, on règle la décharge entre la cathode 7 et l'anode 21a. Le courant de décharge est de 200 A. On introduit alors de l'hydrogène sous 100 sccm dans le récipient, en addition à de l'argon.

Le traitement chimique préliminaire cité plus haut est effectué pendant le chauffage des pièces.

Lorsque les pièces ont atteint leur température de consigne, le flux d'hydrogène est réduit à 10 sccm, puis on introduit de l'azote jusqu'à ce que l'on obtienne une pression totale de 0,8 Pa. La température de nitruration des pièces est ensuite régulée pendant le traitement de nitruration au moyen du dispositif de chauffage 29 constituant élément de régulation. La pression totale doit alors être comprise entre 0,5 et 0,8 Pa. En outre, on régule le flux de gaz réactif, le flux d'azote en l'occurrence.

Les résultats obtenus sont rassemblés sur le tableau suivant. Dans ce cas 35NCD16 est un acier de construction aéronautique,
un acier d'outillage pour moule plastique,
Z38CDV5 est un acier d'outillage pour travail à chaud,
Z160CDV12 est un acier d'outillage pour travail à froid, Z40C13 est un acier inoxydable martensitique,
Z2CND17-13 est un acier inoxydable austénitique.

Type acier
34NCD16 Z38VDC5 Z160CDV12 Z40C13 Z2CND17-13
Paramètres du procédé (température et temps)
540C, 1h 540'C, 1h 480su, 2h 480-C, 2h 400il, 9h
Epaisseur de la couche de diffusion
120 Zm 90 Fm 30 lun 30 Cun 8 lun
Epaisseur de la couche de nitrure de fer E
10 Inn 6 Inn aucune aucune aucune
Sur la figure 4, on a représenté la cinétique de la nitruration réalisée à une température de pièce de 500 'C sur les aciers 35 NCD 16 et Z 38 CDV 5.On a obtenu les valeurs de microdureté Vickers HV 0,1 suivantes
- pour l'acier 35 NCD 16 : 900 HV
- pour l'acier Z 38 CDV 5 : 1090 HV.

En outre, on a représenté la cinétique, ou la vitesse de nitruration, obtenue pour l'acier 35 NCD 16 dans une procédure conduite selon l'invention, comme représenté sur la figure 3, et on l'a comparée à la nitruration par un procédé usuel dans lequel les pièces ont été soumises à un bombardement ionique. Pour l'exemple de comparaison, on a utilisé une configuration d'installation telle qu'elle est représentée dans le brevet allemand 37 02 984 ou dans le brevet américain 4 762 756.

Sur la figure 5, on a représenté la cinétique dans la procédure selon l'invention par la courbe A et celle dans un procédé connu par la courbe B. Elle permet de constater que la cinétique de la nitruration dans le procédé selon l'invention est plus élevée que celle qui est obtenue avec le procédé connu cité. Ce résultat est associé à une augmentation de la concentration d'azote dans la couche de nitruration de 25 à 30 atomes en pourcentage, alors qu'elle n'est que de 20 à 22 atomes en pourcentage dans la couche de nitruration réalisée au moyen du procédé connu cité.

Avec le procédé selon l'invention décrit, dans lequel on empêche un bombardement ionique des surfaces à traiter, ainsi qu'avec les installations configurées de manière correspondante, non seulement il est possible d'obtenir un traitement de pièces meilleur, c'est-à-dire plus rapide, ce qui surprend justement du fait de cette suppression du bombardement ionique indiquée, non seulement il est possible d'obtenir un traitement de surface qui ménage cette dernière, grâce à quoi la microstructure originelle n'est pas modifiée de manière importante, mais en outre on obtient un traitement de surface à partir duquel les pièces qui en résultent apportent des avantages importants par rapport aux procédés connus auparavant.

Alors que des pièces réalisées en un matériau de base d'acier 35 CD 4 nitruré en surface de manière connue, c 'est-à-dire sous bombardement ionique, présentent une capacité de charge de grippage d'environ 1400 N, on obtient pour les mêmes matières de base avec un procédé de traitement selon l'invention conduit sous potentiel flottant, des charges de grippage dépassant 1500 N, atteignant même en particulier 2000 N environ.

De plus, les corps ayant subi un traitement de surface selon l'invention ont résisté à l'essai du brouillard salin pendant plus de 10 heures, et même plus de 20 heures ou 24 heures, en comparaison avec les corps traites par les procédés de traitement usuels sous bombardement ionique qui n'ont pas résisté plus de 5,5 heures à l'essai indiqué.

Sur les figures 6a et 6b sont représentées, avec un grossissement de 500, les micrographies de matières de base selon l'invention sur de l'acier 35 NCD 16 d'une part (figure 6a), et sur de l'acier Z 38 CDV 5 d'autre part (figure 6b). On peut voir que, pour les matières de base selon l'invention, la concentration en azote N dans la zone
E est fortement plus elevée que cette concentration dans des zones de diffusion créées de manière usuelle, c'est-à-dire sous bombardement ionique. En fait elle est supérieure à 24 atomes en pourcentage, en particulier dans un domaine compris entre 25 atomes en pourcentage et 30 atomes en pourcentage (les deux limites étant incluses). Dans les zones de diffusion réalisées de manière usuelle, la concentration en N vaut au maximum de 20 atomes en pourcentage à 22 atomes en pourcentage.

Pour les corps selon l'invention, le rapport de l'épaisseur de la zone de diffusion à l'épaisseur de la zone E vaut de 2 . 10 à 3 . 10-6, de préférence environ 2,5 . 10-6. Ainsi la zone de diffusion sur la pièce en 35 CD 4 traitée selon l'invention était de 0,2 mm alors que la zone E avait une épaisseur d'environ 8 ,um. La formation d'une zone qui comporte au moins une majorité de la composition de Fie2,3 N E est à considérer comme un avantage important ; elle conduit en particulier à l'augmentation indiquée plus haut concernant la résistance à l'usure mécanique et chimique.

Claims (18)

REVENDICATIONS

1/ Procédé pour le traitement de surface de pièces, du type thermochimique par immersion dans un plasma dans lequel on excite un gaz comportant un élément de liaison, constitué en particulier par au moins un des éléments C, N,

O, B, Si, S, au moyen d'au moins une décharge à basse tension de sorte que la surface des pièces est modifiée de manière thermochimique, caractérisé en ce que les pièces sont mises à un potentiel électrique positif par rapport à la cathode de la décharge à basse tension.

2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pièces sont portées au potentiel de l'anode de la décharge à basse tension ou à un potentiel flottant.

3/ Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la décharge à basse tension est effectuée sous la forme d'une décharge autonome, en particulier sous la forme d'une décharge au moyen d'une cathode chaude à émission d' électrons.

4/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pièces sont disposées pour la décharge essentiellement de manière centrée par rapport à une anode annulaire et/ou une anode cylindrique.

5/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les pièces sont chauffées au moyen d'un dispositif de chauffage indépendant de la décharge.

6/ Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant au moins une voie de décharge à basse tension (7, 21) et un dispositif support de pièces (21, 39) disposé dans un récipient à vide (1) qui est relié à un dispositif de réservoir de gaz (17) qui contient d'une part un gaz rare (Ar) et, d'autre part, un gaz comportant au moins un des éléments C, N, O, B, Si, S, caractérisée en ce que le dispositif support de pièces (21, 39) est soit isolé électriquement des autres éléments de l'installation, soit branché sur une source électrique (25, 26) au moyen de laquelle il peut être mis à un potentiel électrique qui est plus positif que le potentiel électrique pouvant être appliqué à la cathode de décharge (7).

7/ Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la voie de décharge comporte une cathode chaude à émission d'électrons.

8/ Installation selon la revendication 6 ou 7, carac toisée en ce que le dispositif support de pièces (21, 39) comprend un circuit de fluide de refroidissement (2").

9/ Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que dans le récipient (1) il est prévu un dispositif de chauffage (29), disposé de préférence le long de régions essentielles de la paroi du récipient et coaxialement à l'axe du trajet de décharge qui, encore de préférence, est muni, contre l'extérieur du récipient et/ou son interieur, d'un dispositif d'ecran thermique (31a/31i), ce dernier pouvant être branché, au moins partiellement, de préférence, en tant qu'anode de la décharge.

10/ Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que l'anode de décharge est constituée par une anode annulaire (21b) et/ou une anode cylindrique (21a) qui, en ce qui concerne la distance, est disposée essentiellement de manière coaxiale par rapport à l'axe (A) de la décharge, sur lequel le dispositif support de pièces (39) est centré de préférence.

11/ Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'anode de décharge (21a) constitue en meme temps au moins une partie d'un dispositif d'écran thermique d'un dispositif de chauffage (29).

12/ Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou de l'installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 11 pour le traitement de surface d'acier de construction, d'acier d'outillage, d'aciers inoxydables martensitiques ou austénitiques ou d'alliage de titane.

13/ Utilisation selon la revendication 12 pour la nitruration.

14/ Pièce comportant une matière de base en acier de construction ou en acier d'outillage avec une zone nitrurée de diffusion de surface de la matière de base, caractérisée en ce que, dans la direction partant du corps de base, la zone de diffusion présente de manière predominante le plus à l'extérieur une zone de pourtour de composition Fe2,3N E.

15/ Pièce selon la revendication 14, caractérisée en ce que le rapport de l'épaisseur de la zone de diffusion à l'épaisseur de la zone Fe2,3N E vaut de 2 . 10 à 3 , l06, de préférence 2,5 . 10-6.

16/ Pièce selon la revendication 14 ou 15, carac trisse en ce que la concentration en azote N dans la zone

Fe2~3N E est supérieure à 24 atomes en pourcentage, et de préférence comprise entre 25 atomes en pourcentage et 30 atomes en pourcentage.

17/ Pièce selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisée en ce que la structure superficielle de la matière de base nitrurée est essentiellement la même que celle de la même matière de base mais non nitrurée.

18/ Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, appliqué à la nitruration d'une matière de base en acier de construction ou en acier d'outillage, de sorte à obtenir une pièce suivant l'une quelconque des revendications 14 à 17, qui résiste pendant plus de 10 heures, de préférence plus de 20 heures, et de préférence même 24 heures à un essai de brouillard selon la norme DIN 50021, et/ou dont la capacité de charge de grippage de la surface est supérieure à 1500 N, et de préférence d'environ 2000 N.