Exemples de Contrôles Métallurgiques sur pièces de série aprés Traitement Thermique

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1 Exemples de Contrôles Métallurgiques sur pièces de série aprés Traitement Thermique Patrick JACQUOT Laboratoire Central BODYCOTE Usine de Pusignan (69) 3ème Séminaire Bodycote Air Liquide, Lyon, Oct. 2012

2 Plan Introduction Intérêts et objectifs des Contrôles Métallurgiques Techniques de caractérisation utilisées Cinq exemples de Contrôles industriels Conclusion 2

3 Intérêts des contrôles métallurgiques 1 - QUALITE Caractériser, évaluer, vérifier, contrôler les résultats métallurgiques aprés TTH 2 - MISE AU POINT NOUVELLES APPLICATIONS CLIENT Adapter, Déveloper, Valider de nouvelles Gammes de traitement pour des conditions d utilisation et sollicitations fonctionnelles précises à un coût donné 3

4 Les étapes de contrôle métallurgique font partie de la chaîne de production d une prestation de TTH en soustraitance 4

5 Objectifs des contrôles Appréhender les phénomènes métallurgiques gouvernant les TTH Maîtriser les facteurs influant la qualité du produit traité Comprendre les phénomènes multifactoriels Expliquer les éventuelles dérives de process Mettre en place des actions correctives Assurer la Satisfaction Client 5

6 Les techniques utilisées en contrôle Microscopie optique - Métallographie Examen micrographique de la structure Macrodureté - Microdureté Mesure de dureté superficielle ou à coeur Mesure du profil de dureté de traitement superficiel Examen et Microanalyse au MEB Observation à fort grandissement, Analyse ponctuelle Examen de rupture, analyse de contamination superficielle Répartition des éléments chimiques 6

7 7 Préparation métallographique

8 8 Microduromètre automatique

9 9 Binoculaire numérique

10 10 Microscopie optique numérisé et analyse d images

11 Microscopie Electronique à Balayage - Microanalyse EDS 11

12 Facteurs affectant la qualité du TTH Atmosphère Cycle thermique Composition Elaboration Température Temps Structure Palier Vitesse trempe Milieu trempe Process de TTH Pièce Mécanique matériaux à traiter Nuance Trempabilité Complexité Géométrie Montage Conception 12 Usinage Section Série Déformation

13 Ex 1: TTH en four à tapis de clips - ressorts auto But des contrôles: Optimiser la gamme de TTH de trempe revenu Température d austénitisation: 810 C min trempe huile 80 C Atmosphère: N2 + CH3OH Pc: 0.75% Ressort Polymère 13 acier 0.75 %C (C75) Pièces découpées et cambrées, épaisseur: 0.6 mm

14 Ex 1: TTH en four à tapis de clips- ressorts auto Spécifications: dureté HV 1kg (43 47 HRc) Résultats obtenus: 180 à 470 HV suivant les lots Recherche de cause et solution par examen métallographique Premières constatations: Structure partiellement mise en solution Structure hétérogène en fonction des zones observées 14

15 Ex 1: TTH en four à tapis de clips - ressorts auto Influence de la mise en forme Zone écrouie (traction, compression): Recristallisation dynamique au chauffage Grossissement de grains localisé 15

16 Ex 1: TTH en four à tapis de clips - ressorts auto Pièce non conforme: Structure: ferrite, martensite, carbures non dissous Mise en solution insuffisante X X500 Pièce conforme: Structure: martensite

17 Ex 1: TTH en four à tapis de clips - ressorts auto En fonction de la durée d austénitisation (vitesse défilement tapis) et du lot matière on a pu montrer que la mise en solution pouvait être partielle ou totale et donc conduire à une structure conforme ou non On a pu aussi mettre en évidence l influence de la mise en forme initiale sur la structure lors du chauffage et probablement des relaxations de contraintes associées 17 L optimisation précise de la gamme de TTH nécessite de prendre en compte la structure de l acier (taille de carbure) et non uniquement sa composition

18 Ex 2: TTH Ecrous Antivol roue auto Acier: 36SMnPb14 décolletage - brochage TTH: trempe huile revenu 340 C (43 47 HRc) Austénitisation 870 C - 40min, Pc 0,35% ; four à charge ( pièces) 18 Problématique: Origine de la rupture fragile lors de test au choc?

19 Ex 2: TTH Ecrous Antivol roue auto Contrôle de la structure taux d inclusions: 1,4 % Structure martensitique homogène 19

20 Ex 2: TTH Ecrous Antivol roue auto Observation du faciès de rupture Rupture intergranulaire dans le sens d orientation de la matière et décohésions au niveau des inclusions MnS 20

21 Ex 2: TTH Ecrous Antivol roue auto Profil de microdureté de part en part de la pièce: absence d anomalie Profils Pièce de microdureté conforme au cahier des charges Microdureté (HV 0,05 kg ± 50) ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Profondeur (mm) Pièce non rompue - Mes 1 Pièce non rompue - Mes 2 Pièce rompue - Mes 1 Pièce rompue - Mes 2

22 Ex 2: TTH Ecrous Antivol roue auto Synthèse: Les examens métallurgiques ne permettent pas de statuer sur l origine de la tenue ou non au choc de certaines pièces par rapport d autres. La cause est ailleurs (?) 22

23 Ex 2: TTH Ecrous Antivol roue auto La cause racine de cette fragilité à la rupture sous choc est liée à la réalisation d un revenu (340 C) qui permet l obtention du niveau de dureté souhaité 35 Mn 5 Toutefois il est réalisé dans un domaine de température préjudiciable à la résilience ( C): Fragilité au revenu Solution: Augmenter la température de revenu ou changer de nuance - révision du CDC

24 Ex 3: Recuit de vilebrequin moulé fonte GS Problème: Usinabilité médiocre et variable de fontes GS cause: provenance diverse (Espagne, Turquie, Inde) Solution: Micrographie structure + Recuit 24

25 Ex 4: Nitruration ionique localisée de noyaux Pôle nitruré Pôle nitruré Épaisseur: 1.5 mm Noyaux magnétiques de bobines en fer pur découpés Nitruration ionique localisée des pôles par masquage métallique Charge de plusieurs dizaines de milliers de pièces Maitrise couche nitrurée = maitrise de la tenue en service Maitrise précise des paramètres de process 25

26 Ex 4: Nitruration ionique localisée de noyaux Résultat: dureté de surface: x 3 à 4 Traitements réalisés: Recuit magnétique haute température Refroidissement contrôlé Nitruration ionique des pôles 26 Dureté Couche epsilon + perlite à l azote: HV 0.5 Dureté à cœur: 85 HV 0.5

27 Ex 5: Nitruration pistons pompe hydraulique Pistons: 40CrAlMo6-12Pb Dureté sup.: 880 HV 1 Ep CB: 9 µm Nitruration ionique Arbre: 31CrMoV9 Dureté: 1070 HV 1 Ep CB: 6 µm Objectifs: Durcir les surfaces frottantes, réduire les frottements, assurer une durée de vie Problématique: Frottement: Nitru. / Nitru. 27 Démarche: Observations post mortem après test au banc

28 Ex 5: Nitruration pistons pompe hydraulique Logement hémisphérique des pistons avant nitruration 28

29 Ex 5: Nitruration pistons pompe hydraulique Logement hémisphérique des pistons aprés nitruration Croissance CB sur les des stries d usinage 29

30 Ex 5: Nitruration pistons pompe hydraulique après nitruration et test au banc Ecrêtage des stries d usinage et écaillage CB 30

31 Ex 5: Nitruration pistons pompe hydraulique Tête de piston après nitruration Etat de surface très fin 31

32 Ex 5: Nitruration pistons pompe hydraulique Tête de piston après nitruration et test au banc zone frottante Lustrage de la surface de la CB Rodage 32

33 Ex 5: Nitruration pistons pompe hydraulique Tête de piston après nitruration CB: 8 µm 33

34 Ex 5: Nitruration pistons pompe hydraulique Tête de piston après nitruration et test au banc zone frottante CB écaillée / usée 34

35 Ex 5: Nitruration pistons pompe hydraulique Logement hémisphérique des pistons aprés nitruration et test au banc zone frottante CB écaillée / usée 35

36 Ex 5: Nitruration pistons pompe hydraulique Bilan: Lors du test au banc d essai les têtes de piston polies et nitrurées (dureté < 900HV) ont dégradé la surface des cavités hémisphériques nitrurées de plus forte dureté (> 1000 HV) avec une CB de 9 µm et dont l état de surface était brut de tournage. Ceci a entraîné l écrêtage et l écaillage de la CB présentes sur les stries d usinage et la formation d un troisième corps très abrasif et enclavé dans le contact Solutions: Réaliser un rodage des cavités après tournage ou nitruration Limiter la CB à 3-5 µm 36

37 Conclusion Les contrôles métallurgiques permettent : d expliquer certains phénomènes métallurgiques de décrire les facteurs influant d entrevoir des solutions d amélioration de garantir la qualité du produit traité C est donc une étape essentielle dans la chaîne de production de pièces mécaniques de qualité