Traitement de durcissement à basse température de l'acier inoxydable utilisé pour la surface des automobiles

Bien que l'acier inoxydable austénitique ait été largement utilisé en raison de son excellente résistance à la corrosion, ses propriétés tribologiques sont médiocres, en particulier sa faible résistance à l'abrasion ou ses performances d'usure adhésive, et a tendance à l'usure par frottement, ce qui entrave le besoin de résistance à la corrosion et d'application dans le domaine de la résistance à l'usure. La ligne de traitement de l'acier inoxydable (S3P) de Baldick en Allemagne offre une solution pour augmenter les propriétés mécaniques du matériau sans modifier la résistance à la corrosion. Le procédé de diffusion chimique thermique forme une phase S riche en carbone ou en azote tout en évitant la précipitation de carbures ou de nitrures. Les applications typiques incluent les aliments, les boissons, les médicaments, les fournitures médicales et les équipements de traitement chimique. Cependant, cet article présentera principalement l'application de l'acier inoxydable dans l'industrie automobile.

L'acier inoxydable a longtemps été utilisé comme pièces de construction automobile ou comme pièces décoratives. Un exemple typique est le capot avant en acier inoxydable austénitique et les inserts en acier inoxydable de la Rolls-Royce Phantom. Parmi les aciers inoxydables, l'acier inoxydable ferritique est principalement utilisé dans les automobiles, car l'acier inoxydable ferritique peut faire fonctionner le système d'échappement dans un environnement corrosif et à haute température. Les pièces telles que les collecteurs d'échappement, les tuyaux et les silencieux sont tous en acier inoxydable AISI 409. Les aciers inoxydables plus chers, tels que les aciers inoxydables duplex, ont été largement utilisés dans les automobiles. Les pièces fonctionnelles en aciers inoxydables duplex allient résistance mécanique et résistance à la corrosion extrêmement élevée. L'industrie automobile est confrontée à des exigences strictes en matière de sécurité et d'efficacité, ce qui constitue une excellente opportunité pour l'application de matériaux en acier inoxydable.

La nouvelle frontière de la résistance au frottement mécanique

Regardons un exemple précis. Une société d'ingénierie automobile produit des paliers lisses. Après l'application du traitement en ligne S3P, les performances des paliers lisses produits sont améliorées, ce qui prouve à quel point S3P améliore parfaitement les propriétés mécaniques de l'acier inoxydable. Pour les paliers lisses d'électrovannes, lorsque de l'acier inoxydable non durci est utilisé, le palier tombe en panne après 240,000 74 opérations, tandis que lors de l'utilisation d'un matériau de revêtement de carbone de type diamant (DLC), il tombe en panne après 560 millions d'opérations. Lors de l'utilisation d'acier inoxydable avec durcissement à basse température de la surface, la durée de vie du roulement dépasse de loin tout record précédent, et le roulement peut toujours fonctionner après 3 millions d'opérations. Bien que le DLC ait des propriétés de glissement très élevées, sa dureté de surface dépasse de loin celle de la phase S, mais le traitement SXNUMXP peut grandement améliorer les performances globales des pièces en acier inoxydable telles que la résistance à la corrosion, la dureté, la ténacité et la résistance à la fatigue.

Domaines d'application plus approfondis

Le principal avantage de la couche de diffusion 10-40μm formée sous condition de durcissement superficiel à basse température est d'éliminer tout risque éventuel de délaminage, ce qui est également bénéfique en termes de résistance aux chocs de pression et aux chocs thermiques. Bien que la dureté de la phase S riche en carbone dans l'acier inoxydable dépasse 1000HV0.05, elle conserve toujours sa plasticité pendant le processus de chargement rapide du four. Ces caractéristiques le rendent utilisé dans de nombreux endroits dans l'industrie automobile de haute technologie et à haut rendement. Les domaines d'application actuels comprennent les moteurs à combustion interne, la transmission de puissance, les systèmes de transmission et d'échappement. S3P peut durcir même les plus petites pièces, ce qui conduit à une optimisation des coûts. Les exemples donnés ci-dessous illustrent que ces aciers inoxydables trempés peuvent répondre à plus de zones et réduire les coûts globaux.

Élimine les rayures sur les connexions électriques

Les pièces mécaniques mobiles installées dans les accessoires des moteurs à combustion interne souffrent d'une corrosion relativement élevée. Le sel sur la route ou la conduite près de la côte augmente le risque de dommages dus à la corrosion sur différentes pièces mécaniques. La température élevée dans le compartiment moteur augmente encore l'effet de corrosion. Lorsqu'on envisage l'utilisation de biocarburants corrosifs à l'intérieur du moteur, les pièces mécaniques sont également soumises à d'autres formes de corrosion.

Pour les connecteurs d'alimentation, la résistance aux rayures est particulièrement importante. Par rapport aux surfaces non traitées, les surfaces cémentées à basse température présentent des avantages évidents. Les résultats des tests de l'acier inoxydable AISI 316L selon la norme ASTM G98 montrent que par rapport à la surface non traitée, la valeur de contrainte de seuil de rayure est considérablement augmentée après traitement. L'acier inoxydable non traité a été rayé à 45.5 MPa, tandis que la surface cémentée n'a pas été rayée à 842.5 MPa. Cette valeur dépasse la limite d'élasticité du matériau, donc une déformation plastique se produit.

Revêtement alternatif

En raison de la directive de l'Union européenne sur la fin de vie des véhicules ou de la restriction des substances dangereuses (RoHS), l'industrie automobile européenne a commencé à remplacer les revêtements en chrome dur. Les exigences en matière de pièces résistantes à la corrosion et à l'usure ont conduit au développement de cette substitution dans deux directions. L'une consiste à utiliser d'autres types de revêtements, tels que le nickelage autocatalytique, et l'autre consiste à affiner le matériau de la matrice par un processus de diffusion. Du point de vue de l'usure, le revêtement est plus avantageux que le procédé de diffusion pour l'acier inoxydable. L'épaisseur de la couche durcie du revêtement peut être plus épaisse, mais le procédé S3P peut améliorer la résistance à la corrosion sans risque de revêtement incomplet.

Ne pas nécessiter d'usinage après traitement est un avantage du procédé S3P, réduisant ainsi le coût global et réalisant la possibilité de traiter des géométries complexes, des arêtes vives et des structures internes, ce qui est généralement impossible pour les revêtements. En effet, du fait des caractéristiques du procédé de diffusion, il est possible de traiter de grandes quantités de matériaux avec un durcissement superficiel S3P à basse température. Lors de l'installation rapide du four, la zone durcie se déforme sans fissures ni délaminage. Cette tolérance aux pannes est un gros avantage par rapport aux revêtements ou à d'autres procédés basés sur la diffusion. Même les plus petites pièces peuvent être durcies uniformément, ce qui est un autre avantage de ce procédé, impossible avec d'autres technologies. Le durcissement superficiel des trous d'un diamètre de 60 m est la capacité unique de ce procédé. Surtout lorsqu'ils sont soumis à une fatigue de flexion à cycle élevé, le chrome dur et d'autres revêtements présentent un risque élevé de défaillance. Bien que des études affirment que le revêtement a une résistance mécanique élevée et peut améliorer la résistance à la fatigue, lorsque le niveau de contrainte spécifique susceptible d'amorcer et de propager des fissures est dépassé, la zone de transition de la couche molle au revêtement dur est le point faible. Cela peut entraîner un délaminage du revêtement ou la propagation de fissures dans la couche molle, affectant ainsi la durée de vie en fatigue.

Paliers lisses sans autres joints

Un autre domaine d'application de l'acier inoxydable à durcissement superficiel est celui des paliers lisses qui ne nécessitent pas d'autres joints, qui peuvent être utilisés dans les systèmes d'injection haute pression ou les pompes pharmaceutiques. Les entraînements linéaires bénéficient également de cette technologie. En raison du taux d'usure extrêmement faible du contact métal-métal et de l'élimination simultanée des rayures, une conception structurelle simple sans joint en polymère peut être réalisée, comme le montre la figure 3.

Amélioration des performances de fatigue du ressort

En raison de la présence de phase S riche en carbone, l'acier inoxydable a une limite de fatigue plus élevée, le cycle de vie du ressort peut être prolongé et la possibilité de défaillance est réduite. Selon la taille du ressort, la constante du ressort peut également changer. Plus la taille du ressort est petite, plus l'effet du traitement de durcissement superficiel sur les performances du ressort est important. L'étude de la phase S riche en carbone dans le film d'acier inoxydable AISI 304 a révélé que la résistance à la traction peut être augmentée de 600 MPa sans traitement à plus de 1500 MPa.

Répétable et à faible coût

Le traitement de durcissement superficiel à basse température permet à l'inox d'améliorer ses propriétés mécaniques tout en conservant une bonne résistance à la corrosion. De meilleures propriétés d'usure, d'abrasion, de fatigue et de cavitation rendent l'acier inoxydable traité à basse température de surface largement utilisé dans l'industrie automobile. Afin de répondre aux exigences de pièces fiables et d'automobiles plus efficaces, l'acier inoxydable durci en surface est un matériau clé. Les exemples spécifiques mentionnés ci-dessus, tels que les connecteurs d'alimentation avec des performances de frettage plus élevées, les accessoires de carburant en acier inoxydable qui ne se bloquent pas, les ressorts avec des performances de fatigue plus élevées et les pièces utilisées pour les vannes haute pression, expliquent pleinement que le traitement de durcissement de surface à basse température peut améliorer diverses propriétés de l'acier inoxydable. De plus, il est important que ce processus obtienne des résultats uniformes et reproductibles. Une panne ou un dysfonctionnement d'une voiture pendant la conduite est un accident majeur pour un constructeur automobile de marque, et cela peut être résolu par la technologie de durcissement de surface à basse température. En plus d'améliorer les performances du processus des pièces trempées, l'économie est également importante. Le traitement de durcissement de surface à basse température S3P peut également traiter un grand nombre de pièces de petite taille en même temps pour atteindre cet objectif.

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