Nuances alternatives aux aciers de cémentation au nickel adaptées aux traitements haute température
La production de pièces de pignonnerie cémentées ou carbonitrurées se classe parmi les plus longues et les plus coûteuses voies de mise en service de composants mécaniques. Parmi les aciers utilisés, les nuances chargées en nickel sont largement répandues. Elles présentent l’inconvénient de subir des fluctuations de prix. Les travaux présentés ici se concentreront alors sur la substitution de nuances au nickel par des nuances économiquement plus attractives. Ce potentiel sera évalué en termes de caractéristiques métallurgiques, mécaniques et d’aptitude aux traitements thermochimiques. Une ouverture au développement d’aciers permettant l’application de traitements à haute température sera finalement abordée par la présentation de solutions métallurgiques développées par Ascometal capables de résister à des conditions sévères de traitement thermochimique.
Tableau 1 : Compositions chimiques (en %m) mesurées par spectroscopie à étincelle et LECO (pour le carbone) des coulées en 18CrNiMo7-6 et 23MnCrMo5-5-4 utilisées pour les essais comparatifs. Comparaison aux intervalles de composition spécifiés dans la norme des aciers de cémentation [3].
Figure 1 : Comparaison des courbes Jominy (moyenne de deux profils mesurés sur la même éprouvette) des aciers 18CrNiMo7-6 et 23MnCrMo5-5-4 pour une température d’austénitisation de 860 °C.
Tableau 2 : Comparaisons des propriétés de traction et de résistance au choc (valeurs individuelles et moyennes) des nuances 18CrNiMo7-6 et 23MnCrMo5-5-4 mesurées à l’état trempé (860 °C 2 heures) revenu (200 °C 2 heures).
Tableau 3 : Géométries et conditions de traitement pour les essais de comparaison de l’aptitude à la cémentation .Les valeurs de module des pignons FZG correspondent à différentes géométries de denture, ils sont destinés à évaluer les propriétés en fatigue pied de dent des pignons cémentés. Ces caractérisations seront détaillées par la suite.
Figure 2 : Comparaison des profondeurs de cémentation (CHD550HV) et des profondeurs d’oxydation des nuances 18CrNiMo7-6 et 23MnCrMo5-5-4 obtenues pour différentes géométries de pièces et différentes conditions de traitement.
Figure 3 : Représentation schématique du montage pour les essais de fatigue FZG.
Figure 4 : Contraintes limites de fatigue (déterminées selon [11]) en fonction de la dureté en surface des différentes conditions de renforcement de surface testées. Comparaisons aux niveaux de performances normalisés.
Figure 5 : Comparaison des courbes Jominy des aciers 13NiCrMo13 et 12CMnMo9 pour une température d’austénitisation de 930 °C.
Tableau 4 : Compositions chimiques (en %m) mesurées par spectroscopie à étincelle et LECO (pour le carbone) des coulées en 13NiCrMo13 et 12CrMnMo9 utilisées pour les essais comparatifs.
Tableau 5 : Comparaisons des propriétés de traction et de résistance au choc (valeurs individuelles et moyennes) des nuances 13NiCrMo13 et 12CrMnMo9 mesurées à l’état normalisé (955 °C 8 heures), trempé (830 °C 2 heures) et revenu (200 °C 4heures.).
Figure 6 : (a) Profil de dureté mesuré sur une éprouvette cylindrique (diamètre 25 mm) en 12CrMnMo9 cémentée à 950 °C (moyenne de trois profils). (b) Microstructure observée proche de la surface de l’éprouvette cémentée après attaque Nital 4%.
Figure 7 : Diagramme de stabilité du grain austénitique en conditions de pseudo-cémentation pour un acier 20MnCr5 standard (a) et un acier 20MnCr5 à stabilité du grain améliorée (b). Superposition des profondeurs de cémentation (CHD550HV) obtenues approximativement en fonction de la température et du temps de maintien à haute température.
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