Traitement Thermique Engrenage Juillet 2011

7/26/2019 Traitement Thermique Engrenage Juillet 2011

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Note de veilleTransmissions mcaniques

TRAITEMENTS THERMIQUES :

NITRURATION & PROCEDES DINDUCTIONJuillet 2011

Lobjectif de cette note est de faire un point complet sur les volutions intressantesdes traitements thermiques des transmissions mcaniques avec un focus particuliersur les procds de nitruration et dinduction. Nous reprenons dans les lignes qui sui-vent les points les plus importants qui sont dtaills dans la note :

Le traitement par induction : il nexiste aucune volution majeure ; seules desamliorations de gnrateurs sont signaler, ainsi que lexistence dun inducteurpermettant dviter la rotation de la pice traiter (vilebrequin et ventuellementengrenage) ;

Nitruration : lvolution est le renforcement de la technique dans laronautique.La nitruration titane est au cur de cette volution ;

Les revtements PVD : la technique a lair de dmarrer, aprs le stade R&D, lepassage au stage industriel sinstalle ;

Matriaux : signalons la mise au point daciers de nitruration/carbonitruration :lgrement plus performants que les aciers classiques.

TRAITEMENT PAR INDUCTION

Les diffrentes techniques de chauffagepar induction pour les engrenages sontdcrites dans les articles [1], [2].

Les techniques de trempe de contour bi-frquence et multifrquence sont maturescar elles permettent de raliser un profil detrempe voisin de ceux obtenus avec lacmentation, carbonitruration [1], [3].

Amlioration de la technique du traite-mentLes amliorations concernent tout dabordles gnrateurs de puissance [4]. Les nou-veaux gnrateurs ont des puissancesplus leves et sont plus souples au ni-

veau des frquences dlivres ce qui per-met dobtenir des densits de puissanceplus leves et damliorer la prcision duprofil durci.

Nouvelles conceptions dinducteursLa socit Inductoheat a dvelopp unenouvelle approche pour le traitement parinduction de composants automobile : leprocd de durcissement stationnaire pourvilebrequins (Stationary Hardening Pro-cess for Crankshafts - SHarP-C) [5].Cette technologie brevete limine la n-cessit de faire tourner ou de dplacer soit

le vilebrequin soit linducteur pendant lescycles de chauffage et de trempe.

Ce procd est compos de deux induc-teurs : un inducteur suprieur (passif) et un

inducteur infrieur stationnaire (actif)connect un gnrateur de puissance moyenne ou haute frquence.

Aprs positionnement du vilebrequin danslinducteur infrieur, linducteur suprieurest ferm, la puissance est applique linducteur infrieur. Le courant traversantlinducteur infrieur induit des courants deFoucault dans linducteur suprieur, ce quiprovoquera le chauffage de toute la sur-face du palier du vilebrequin.

Principe de linducteur stationnaire [5].


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Les avantages de cette technologie sontles suivants :

Pas de mouvement de pices traiter,ce qui est intressant pour les picesmassives,

Linducteur est plus robuste et plusrigide quun inducteur classique (usi-nage par commande numrique), pas

de brasure (stabilit dimensionnelle),peu de composants dans sa concep-tion (fiabilit amliore). La technologiesharp-c permet un accroissement de ladure de vie des inducteurs dun fac-teur 4,

Les systmes de guidage et de posi-tionnement ne sont pas ncessaires,

Changement rapide de linducteur, pasde rglages.

Traitements dengrenages doliennesLnergie olienne se dveloppe rapide-ment : daprs la AWEA (American WindEnergy Association), en 2008, plus de8500 MW ont t installs, la puissancefournie par le vent a procur 42% de lacapacit dnergie nouvelle aux USA [6].Le DOE (Department of Energie) des EtatsUnis prvoit quen 2030, lnergie oliennepourrait fournir 20% des besoins lectri-ques de la nation.

Les engrenages des oliennes sont forte-ment sollicits et ncessitent des caract-ristiques mcaniques leves qui peuventtre obtenues avec un traitement par in-duction.

La figure suivante montre la machine per-mettant de traiter dent par dent la cou-ronne dune olienne dun extrieur de3,6 m, hauteur de dent 0,350 m et dunpoids dpassant 5 t. La profondeur durcierequise est de 2,5 3 mm. Aprs charge-ment de la couronne et positionnement delinducteur, le procd se poursuit automa-tiquement.

Machine de traitement par induction pour en-grenages dents intrieures doliennes, 3,6 m, hauteur de dent 0,35 m poids 5 t [6].

Pour le traitement de piste de roulement etpour viter la formation de la zone revenueen fin de traitement au dfil, un procdalternatif a t dvelopp.

Une paire dinducteurs (repre 3 & 4) sedplace dans des directions opposessuivant un arc de cercle lgrement inf-

rieur 180. Une douche est associe chaque inducteur et assure la trempe de lapartie chauffe jusqu la rencontre desdeux inducteurs o la puissance lectriqueest coupe. Simultanment une doucheauxiliaire est automatiquement enclenchepour durcir la portion de la partie finale dela piste chauffe, ce qui permet dviter laformation dune zone adoucie.

Ce procd connu depuis les annes 1970et brevet le 29 mai 1962 a t perfection-n et un brevet est en cours de dposition

par Inductoheat. La technologie utilise lesavoir-faire spcialement dvelopp poursatisfaire les spcifications exiges pour letraitement des engrenages doliennes.

Principe de la machine deux inducteurs ba-layant la piste de roulement [6].

Nouveaux aciers pour trempe par induc-tion

Des rsultats intressants peuvent treobtenus en associant un procd existantet un acier performant [2].

La technologie TSH (Through and SurfaceHardening : Trempe dans la Masse et enSurface) est une synergie entre des aciersperformants et des techniques spcialesde trempe induction. Des aciers au car-bone faiblement allis et distribus parERS Engineering sont caractriss par untrs faible grossissement de grain pendantle temps de chauffage, chauffage pour unepour une temprature d'austnitisation de950C-1000C.


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Ils peuvent se substituer des aciersconventionnels plus coteux durcis avecdes techniques dinduction classique. Lescaractristiques de ces aciers sont :

Des teneurs en lments dalliage (Mn,Mo, Cr et ou Ni) 3 8 fois plus faibles,

Une frquence dinduction ncessaireplus faible (1 10khz) do des gn-

rateurs moins coteux, Une profondeur durcie est dabord

contrle par la composition chimiquede lacier et sa microstructure ce quirend le procd de traitement thermi-que robuste et reproductible,

La taille du grain est fine.

Comparaison du grossissement de grain enfonction de la temprature daustnitisation

pour un acier classique et un acier TSH [2].

Optimisation des paramtres de traite-

mentsUne tude a dtermin linfluence dutemps de chauffage, de la puissance lec-trique et de la frquence sur la tenue lafatigue en flexion dengrenages en acier2C35 et 2C45 durcis par induction [7].

Paramtres du traitement par induction [7].

La structure, la duret et le profil trempont t dtermins en fonction des condi-tions opratoires.Lengrenage a un module m=4, nombre dedents 18, largeur de dent 10 mm, angle depression 20. Les engrenages ont t tes-ts sur un pulsateur hydraulique, la fr-quence dapplication de la charge est de

700 cycles/min. Les rsultats des essaissont donns par la figure suivante.

Limites de fatigue des engrenages tremps parinduction et de lengrenage normalis G3N [7].

Les essais ont mis en vidence les pointssuivants :

La trempe affaibli certains engrenages,lengrenage G3N ayant une limite enfatigue plus leve que certains autresengrenages traits, ce qui parat sur-prenant,

Pour des dures de chauffage courtes,la zone durcie est localise prs dusommet de dent, au milieu de la lar-geur de dent et prs du pied de dent,aux extrmits de la largeur de la dent.Quand la dure de chauffage aug-mente, le durcissement stend surtoute la dent,

Il y a une dure optimale en fonctionde la puissance et de la frquence dechauffage conduisant une limite defatigue maximale. Dans les conditionsexprimentales utilises, la limite defatigue maximale des engrenagestremps par induction est suprieurede 80% celle de lengrenage recuit.

NITRURATION

Ces paragraphes concernent spcifique-ment la nitruration des alliages de titane.


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Les paliers Ti sont utiliss dans des appli-cations ncessitant une haute rsistance,une faible densit et une maintenancerduite (arospatial, aronautique, indus-tries de la dfense). Lalliage de Ti-6Al-4Va une tenue au fretting et lusure mdio-cre compare celle des aciers.Des paliers en Ti6Al4V ont t nitrurs,

dans une enceinte close sous atmosphredN2 en utilisant un Laser Q-sw. Leschantillons ont t caractriss du pointde vue structural. On observe en surfaceune couche de TiN dune paisseur de 1 3 m. Les chantillons ont t tests surune machine de fatigue de contact souseau. La perte en usure des paliers nitrursest 10 fois infrieure celle des paliersnon nitrurs [8].

Le comportement en fretting dun coupleTi-6Al-4V nitrur/Graphite dans le contact

sec arbre/palier a t caractris [9]. LeTi-6Al-4V a t nitrur 700C pendant12h dans une atmosphre N2, H2. La dure-t maximale de lalliage a t multiplie parun facteur 3.

Deux gomtries de contact ont t tu-dies : cylindre lintrieur dun alsage etplan/plan. Ces contacts ont t soumis de faibles oscillations, la temprature at-teinte au cours de lessai est de 270C.

La morphologie et le profil des surfaces

uses ont t caractriss et les modesdusures mis en vidence (empreintes,cratres, transfert), ce qui permetdexpliquer le dveloppement et loriginede la dgradation.

Le couple Ti-6Al-4V/graphite a un coeffi-cient de frottement bas mais prsente uneusure importante du graphite qui conduit une dtrioration du systme. Les particu-les de graphite nadhrent pas sur larbreen Ti-6Al-4V et sont rapidement jectesde la zone de contact.

La nitruration du Ti-6Al-4V change compl-tement le comportement tribologique ducouple : le graphite adhre sur la surfacenitrure et il se forme un film protecteur, lanature du contact devient alors gra-phite/graphite conduisant une rductiondu coefficient de frottement et de lusure.

TRAITEMENTS DUPLEX

Les traitements Duplex (cmentation ounitruration + revtement PVD) sont destraitements prometteurs pour les engrena-

ges. La cmentation ou la nitruration per-met de lutter contre la fatigue en pied dedent, la fatigue de contact. Le revtementPVD amliore le comportement le compor-tement en frottement et la tenue au pittingdu flanc de dent.

Deux traitements Duplex ont t raliss

[10] : Nitruration, traitement Nitreg dacier

42NiCrMo4+ dpt PVD CrN,

Cmentation dun acier 16MnCrS5+dpt PVD CrN.

Le revtement CrN dune paisseur de5 m a t ralis par Evaporation Catho-dique par Arc. Les traitements ont t ca-ractriss par leur profil de microdurets,contraintes rsiduelles en surface avant etaprs revtement PVD.

Traitement R aprs traite-ment

(MPa)

R aprsdpt(MPa)

Nitruration

Cmentation

- 580 40

- 120 25

- 2350 114

- 1870 87

Contraintes rsiduelles mesures aprs Nitrura-tion, cmentation et aprs dpt CrN [10].

La limite de fatigue a t dtermine en

flexion rotative 3 x 106 cycles. Le rev-tement PVD provoque une lgre augmen-tation de la limite de fatigue des chantil-lons cments ou nitrurs :

Cment non revtu : 750 54mpa ;

Cment+ crn : 815 57mpa ;

Nitrur + CrN : 761 10MPa.

Un procd a t dvelopp pour rempla-cer lacier dun palier fortement charg dutrain datterrissage par un alliage de Ti[11]. Le palier est soumis des sollicita-tions dusure, frottement, fatigue et corro-sion. Lalliage de Ti seul ne peut pas treutilis car ses caractristiques mcaniquessont insuffisantes pour supporter lescontraintes de contact en sous couche et ilest sensible au grippage. Des traitementsduplex de nitruration triode+dpt PVD,nitruration+oxydation et dpt PVD ont tmis au point pour supporter des pressionsde contact suprieures 220 MPa. Lestraitements de nitruration et nitruration +oxydation ont t effectus 700C, lesdpts PVD ont t raliss par canon

lectrons une temprature infrieure 500C.


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Les solutions tudies sont les suivantes :Ti-6Al-4V non trait, revtu TiN/CrAlN/TiN+ Nitruration, paisseur 15-20m, TiN +Nitruration paisseur 30-40m, CrAlN +Nitruration, CrAlN + oxynitruration.

Les prouvettes revtues ont ensuite ttestes dans un tribomtre du type arbre-

palier. Le critre de comparaison des diff-rentes solutions est la charge maximumacceptable avant grippage.

Les essais de fatigue ont montr que larduction de la limite de fatigue des paliersnitrurs revtus est infrieure de 10% celle des paliers non nitrurs. Une tudepar lments finis a montr que la pressionde contact au centre du palier est de150 MPa soit 50% plus leve que cellecalcule partir de la surface projete.

Les tests de grippage ont mis en videncele bon comportement de CrAlN + Nitrura-tion des pressions de contact suprieu-res 270 MPa. Le CrAlN a un meilleurcomportement que le TiN.

REVETEMENT PVD

Les revtements PVD peuvent amliorer latenue au micropitting des flancs de dentsdes engrenages.

Des lubrifiants avec des additifs nanopar-ticules de WS2 et MoS2 permettent de r-duire le coefficient de frottement et amlio-rent la tenue au pitting, en particulier lesMatriaux Fullerne Inorganique (IFLM) base de W S2[12].

Des essais avec une machine bi-disqueont montr que les IFLM taient efficacespour rduire le micropitting quand ils sontutiliss avec des lubrifiants haute viscosi-t (formation dun film de transfert). Unrevtement PVD peut galement jouer lerle de film de transfert au niveau ducontact. Pour tester ce concept, deux typesde revtement PVD ont t effectus :

CrN : paisseur 2,7 m ;

CrN + IFWS2 : paisseur 3 m, souscouche CrN 0,5 m.

Le revtement CrN + IFWS2 a une faibleadhrence, tandis que le CrN a un boncomportement.

Des essais de frottement sec

Pion/disque de revtements CrN, CrN-Nb-WCxSy, CrN-MoCxSy, CrN-NbCxSy, CrN-CrWN-CrWCxSy ont t effectus pour

prslectionner le revtement ayant lemeilleur comportement en frottement. Lecoefficient de frottement le plus faible a tobtenu avec le CrN-NbCxSy (0,1 environ).Des engrenages en acier 16NiCrMo16-6(refondu par arc sous vide) ont t cmen-ts et revtus de WC/C, Balinit C, de d-pts C et CrN avec incorporation de IFLM

et un sulfocarbure de Niobium (NbCS)modifi.

Rsultats des essais sur un banc dengrenages, dvia-tion moyenne du profil en fonction du nbr. de cycles

[12].

A 1471 MPa et pour 50x106

cycles,lengrenage non revtu prsente du pitting,et le revtement WC/C une usure par po-lissage de la surface du dpt. Les deux

engrenages susent en pied de dent. A1578 MPa et 50x106

cycles, lengrenage ades cailles en surface et une usure impor-tante en pied de dent, lengrenage revtuWC/C a un polissage du flanc de dent etune usure en pied de dent plus faible quecelle de lengrenage non revtu.

Lengrenage revtu C6/IFLM prsente dumicropitting et une usure en pied de dent.Lengrenage revtu NbCS a un meilleurcomportement (faible pitting, pas dusureen pied de dent).

DIVERS

Nouvel acier de nitrurationUn nouvel acier de nitruration a t dve-lopp : lacier OVAKO 225 A et C, du type18CrMo8-5. Cette nuance a dabord tmise au point pour le traitement de nitrura-tion, mais peut tre galement utilise encmentation. On la trouve galement sousforme resulfure (225 A) [13]. La rponse la nitruration est donne dans les figures

suivantes.


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Rponse la nitruration [13] : a) comparaisondes courbes de duret entre lacier 225 A et

42 CrMo4 (nitruration gazeuse 510C pendant30h et b) profondeur nitrure (distance la

surface o la duret atteint 400 HV) pour diff-rentes nuances dacier en fonction du temps de

nitruration. Nitruration ionique 510C.

Lacier est livr prtrait, les caractristi-ques sont donnes en fonction du diamtrede la barre (figure suivante).

Caractristiques mcaniques ltat de livraison (tremp-revenu) [13]

Dveloppement daciers de carbonitru-rationLamlioration de la tenue au pitting desengrenages est devenue un thme impor-tant du fait de laugmentation du coupledans les transmissions automobile. Lasocit KOBE STEEL a dvelopp unesrie de nuances daciers pour carbonitru-

ration ayant une tenue au pitting amliorepar rapport aux aciers classiques.

La tenue au pitting est fonction de la dureten surface aprs carbonitruration-trempe-revenu. La socit KOBE STEEL a testune srie de nuances dacier ayant uneduret en surface suprieure celle desaciers de carbonitruration classique. Lesnuances daciers se diffrencient principa-lement par leur teneur en Cr, Si, Mo et V.Aprs revenu 473 K le Si et le Mo provo-quent un accroissement de duret, le V a

une diminution ce qui est surprenant, le Crna pas dinfluence.

Des engrenages ont t raliss dans lesnuances SCr420H (20CrMn6), E(20MnCr6+ 0,7%Si+Mo) et F(20MnCr6 + 0,5%Si+Mo) cments ou carbonitrurs, puistests en pitting, fatigue pied de dent etfatigue sous impact. Par rapport lanuance 20CrMn6 cmente de rfrence,la nuance 20CrM6 carbonitrure a uneamlioration de la dure de vie en pittingde 44%, la nuance E : +78% et lacier F :

+67%. En fatigue pied de dent, le nombrede cycles rupture de lacier F est sup-rieur de 5% celui du 20CrMn6 carbonitru-r mais infrieur celui du 20CrMn6 c-ment.

En fatigue pied de dent, pour une dure devie de 100 000 cycles, le couple transmispar lacier F est suprieur de 5% celui du20CrMn6 cment. En fatigue sous impact,pour une dure de vie de 100 cycles, lecouple transmis par lacier F carbonitrurest suprieur de 19% celui du 20CrMn6

carbonitrur et lgrement suprieur celui du 20CrMn cment. Des essais surune bote de transmission automatique ontmontr que la dure de vie en pitting estde 12,2x 106 cycles pour lengrenage enacier F carbonitrur et 13,1x106cyclespour lengrenage en 20CrM6 carbonitruravec un revtement de MoS2. Pour unniveau de duret de 154HB, lusinabilit delacier F est suprieure celle du20CrMn6.


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BIBLIOGRAPHIE

[1] Induction Hardening of Gears offers Various Approaches. Fabien Marquis, Dr. Hans StieleHeat Treating Progress. July 2007 p 22-27.

[2] Induction Hardening of Gears: a Review. Part 2. V. Rudnev, D. Loveless, R. Cook and M.Black. Heat Treatment of Metals 2004.1 p 11-15.

[3] Single-Coil Dual-Frequency Induction Hardening of Gears. Dr. Valery I. Rudnev. Heat

Treating, Progress October 2009 p 9-11 (mail 6/6/2011 15h24).[4] Induction Heat Treating. Gains Ground Through Advances in Technology. W.R. Stott,

Gears Technology March/April 2011 p 25-30.

[5] Innovative Induction Heat Technologies. Dr. Valery Rudnev, D. Brown, G. Doyon. Inducto-heat, inc. Madison Heights, MI, USA., 2009, 11p.

[6] Induction Heating Helps Put Wind Turbines in High Gear. G. Doyon, D. Brown, V. Rudnev,F. Andrea. Ch. Sitwala, E. Almeida. Heat Treating Progress. September 2009 p 55-58.

[7] Effects of Heating Time, Electric Power and Frequency on Bending fatigue Strength ofInduction Hardened Gears. K. Miyachika, K. Oda, H. Katanuma, J. Iwanaga and S. Oda.Solid State Phenomena. Vol. 118 (2006) p 527-532.

[8] Wear resistance Improvement of Titanium Bearings by Laser Gas Nitriding. J. Rozwad-owska, K. Kida, E.C. Santos, T. Honda, H. Koike, Y. Kashima, K. kanemasu. AdvancedMaterials Research. Vols. 217-218 (2011) p 988-993.

[9] Fretting Contact Study of Ti-6Al-4V/Graphite couple in a dry Shaft/Bearing Contact WithThrust: Influence of Plasma Nitriding of Titanium Alloy. M. Sylvestre, H. Zaidi, JP. Rivire,D. Eyidi, F. Doyen. Surface and Coatings Technology, 2010, 205/5 (1374-1380).

[10] Carburising and nitriding as surface pre-treatment of PVD coating for gears application.G.M La Vecchia, N. Lecis, S. Troglio. Metallurgia Italiana 2006 98/4, p. 21-28.

[11] Enabling Lighweight, High Load Aero-Bearings, J. Avelar-Batista Wilson, S. Banfield,Tecvac Ltd, United Kingdom, B. Karadia, N. Vahegla, Airbus United Kingdom, P Smith,Cranfield University United Kingdom, G. Cassar, A. Leyland, A. Matthews, The Universityof Sheffield, United Kingdom , J.Housden, IMCTF 2009.

[12] Developing coatings for Increased Operational Life in Gears. S.J. Bull. A. Oila, NewcastleUniversity, UK 38th ICMCTF May 2-6, 2011 San Diego, Ca, USA.

[13] Fiche technique OVAKO 225A et C 18CrMo8-5F. Alloy Digest. ASM International. FilingCode SA-607 September 2009, 2p.

[14] Development of Carbo-nitriding Gear Steels with high Anti-pitting Fatigue Strength. M.Nagahama, K Iwasaki, S. Abe. Kobe Steel Engineering Report/Vol. 56, N3, Dec. 2006 p53-58 (en japonais).

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