FR2999608A1

FR2999608A1 - Heat treating a cast part e.g. tension disk or braking drum, of braking system of vehicle i.e. car, comprises ion nitriding a cast part to form a surface layer of iron nitride on cast part with specific amount of thickness

Info

Publication number: FR2999608A1
Application number: FR1261993A
Authority: FR
Inventors: Michel Martin; Jean Grunewald
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-06-20

Abstract

The method comprises ion nitriding a cast part to form a surface layer of iron nitride on the cast part. The surface layer of iron nitride has a thickness of 10-20 mu m.

Description

PROCEDE DE REVÊTEMENT D'UN ELEMENT EN FONTE DESTINE A UN SYSTÈME DE FREINAGE, ET ELEMENT EN FONTE CORRESPONDANT L'invention concerne les procédés de traitement de pièces mécaniques en fonte. Ces procédés permettent l'introduction par diffusion d'azote au niveau de la surface des pièces pour en améliorer la dureté et la tenue en fatigue. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de l'industrie automobile pour le renforcement de pièces mécaniques telles que des pièces composant les systèmes de freinage. Ces pièces sont en effet exposées à des frottements très importants en fonctionnement.The invention relates to processes for the treatment of mechanical cast iron parts. These methods allow the introduction by nitrogen diffusion at the surface of the parts to improve the hardness and fatigue resistance. The invention finds a particularly advantageous application in the field of the automotive industry for the reinforcement of mechanical parts such as parts making up the braking systems. These parts are indeed exposed to considerable friction in operation.

Un frein à tambour est un système de freinage souvent utilisé sur des véhicules automobiles. Il est constitué d'un tambour fixé sur le moyeu de la roue à freiner. A l'intérieur du tambour se trouvent au moins deux mâchoires munies de garnitures. Leur fonction est de s'écarter grâce à des cames ou des pistons qui provoquent le frottement entre la garniture et la surface intérieure du tambour.A drum brake is a braking system often used on motor vehicles. It consists of a drum attached to the hub of the wheel to brake. Inside the drum are at least two jaws with fittings. Their function is to move away with cams or pistons that cause friction between the lining and the inside surface of the drum.

Les cames sont actionnées par une commande mécanique telle qu'un câble et les pistons sont actionnés par une commande hydraulique. La face intérieure du tambour est usée par l'actionnement du frein. Un autre système de freinage fréquemment utilisé sur des véhicules automobiles est le système de freinage à disque. Dans un tel système, un disque est fixé sur le moyeu de la roue à freiner, et des plaquettes sont disposées de façon à venir frotter de chaque côté du disque. Les plaquettes sont maintenues dans un étrier dans le cas d'un frein fixe, ou une chape dans le cas d'un frein coulissant. Ces éléments de maintien sont fixés au véhicule. Lors d'un freinage, un ou plusieurs mécanismes sont actionnés par le chauffeur et poussent sur les plaquettes. Les moyens d'actionnement comprennent en général un ou plusieurs pistons soumis à une pression hydraulique. L'effort ainsi généré provoque le serrage puis le frottement des plaquettes sur le disque de freinage. La force de frottement entre les plaquettes et le disque crée le couple de freinage, qui diminue progressivement la vitesse de rotation de la roue à freiner, de façon généralement proportionnelle à l'effort appliqué.The cams are actuated by a mechanical control such as a cable and the pistons are actuated by a hydraulic control. The inner side of the drum is worn by the actuation of the brake. Another braking system frequently used on motor vehicles is the disc braking system. In such a system, a disk is attached to the hub of the wheel to be braked, and pads are arranged to rub on each side of the disk. The pads are held in a bracket in the case of a fixed brake, or a clevis in the case of a sliding brake. These holding elements are attached to the vehicle. During braking, one or more mechanisms are actuated by the driver and push on the pads. The actuating means generally comprise one or more pistons subjected to hydraulic pressure. The force thus generated causes the tightening and friction of the pads on the brake disc. The friction force between the pads and the disc creates the braking torque, which gradually decreases the speed of rotation of the wheel to brake, generally proportional to the force applied.

Les plaquettes d'une part et le disque de freinage d'autre part sont les pièces du système principalement exposées à l'usure, notamment parce que ces pièces subissent un frottement intensif. Typiquement les tambours et disques de frein sont produits en fonte, qui est un alliage de fer riche en carbone. Lors d'un freinage, un disque de frein non traité perd une quantité de poussière de fonte sur la piste de freinage, qui correspond à la partie annulaire du disque contactée par les plaquettes. La poussière libérée peut se poser sur le disque et détériorer les performances du système lors du prochain freinage. Lorsque le véhicule équipé d'un tel disque est également équipé de jantes en alliage léger, qui laissent les disques apparents, la poussière vient noircir les jantes de manière apparente. De plus, l'immobilisation pendant quelques jours d'un tel véhicule entraine une oxydation rapide de la piste de freinage du disque. Une piste de rouille peu esthétique devient alors visible à travers les jantes. Des problèmes similaires de génération de poussière et d'oxydation se présentent dans le cas de tambour de freins en fonte non-traités. Il est connu d'enrober des tambours et des disques de frein en fonte par un revêtement à base de zinc. Le revêtement a pour but une protection à la corrosion. En général, le revêtement est cependant usé au bout d'un nombre restreint de freinages. Pour l'exemple du disque de frein, le revêtement usé laisse donc réapparaître à nouveau la piste de freinage après un nombre restreint de freinages. Un disque en fonte connu revêtu de zinc exhibe donc à terme des problèmes de production de poussière et d'oxydation similaires à ceux d'un disque non traité.The pads on the one hand and the brake disc on the other hand are the parts of the system mainly exposed to wear, especially because these parts undergo intensive friction. Typically drums and brake discs are made of cast iron, which is a carbon-rich iron alloy. During braking, an untreated brake disk loses a quantity of melt dust on the braking track, which corresponds to the annular portion of the disk contacted by the pads. The released dust can settle on the disc and impair the performance of the system during the next braking. When the vehicle equipped with such a disc is also equipped with light alloy wheels, which leave the discs visible, the dust comes to darken the rims in an apparent manner. In addition, the immobilization for a few days of such a vehicle causes rapid oxidation of the brake track of the disc. An unattractive rust track then becomes visible through the rims. Similar problems of dust generation and oxidation arise in the case of untreated cast iron brake drum. It is known to coat cast iron drums and brake discs with a zinc-based coating. The coating is intended to protect against corrosion. In general, however, the coating is worn after a limited number of braking operations. For the example of the brake disc, the worn coating therefore reappears the braking track after a limited number of braking. A known cast iron disc coated with zinc thus eventually exhibits problems of producing dust and oxidation similar to those of an untreated disc.

L'invention a pour objectif de pallier à au moins un des problèmes rencontrés dans l'art antérieur. En particulier, l'invention a pour objectif de proposer un procédé de traitement des pièces en fonte destinées à faire partie du système de freinage d'un véhicule, dans le but de pérenniser la tenue des pièces face aux frottements auxquelles elles sont exposées, et d'augmenter leur résistance à l'oxydation. 2 9 9 9 608 3 L'invention a pour objet un procédé de traitement thermique d'une pièce en fonte destinée à faire partie du système de freinage d'un véhicule. Le procédé est remarquable en ce qu'il comprend une étape de nitruration ionique. La nitruration ionique confère à la pièce une couche de nitrure de fer superficielle. 5 De manière préférée, la pièce en fonte peut être un disque de freinage ou un tambour de freinage. L'étape de nitruration ionique se fait de préférence en présence d'azote et d'hydrogène. La couche de nitrure de fer superficielle appliquée à la pièce en fonte peut de 10 préférence avoir une épaisseur comprise entre 10 à 20 ilm. La couche peut avoir une épaisseur homogène. L'invention a également pour objet une pièce en fonte destinée à faire partie du système de freinage d'un véhicule. La pièce en fonte est remarquable en ce qu'elle comprend une couche superficielle de nitrure de fer. 15 De manière préférée la pièce en fonte peut être un disque de freinage ou un tambour de freinage. L'épaisseur de la couche de nitrure de fer superficielle de la pièce en fonte peut être comprise entre 10 à 20 um. L'invention a également pour objet un système de freinage d'un véhicule. Le 20 système de freinage est remarquable en ce qu'il comprend une pièce en fonte conforme à la présente invention. Le procédé de nitruration ionique est un procédé de traitement thermique de diffusion de non-métaux. Grâce à ce traitement thermique, il est possible d'obtenir une couche superficielle protectrice dure présentant une tenue à 25 l'usure supérieure aux couches de revêtements de disques ou de tambours de freins connus. La production de poussière de fonte et son dépôt sur les pièces avoisinantes du véhicule est fortement réduite par l'utilisation de la présente invention. La bonne tenue à la corrosion du revêtement obtenu permet au disque et au tambour de garder un aspect gris mat qui évite l'apparence inesthétique de rouille sur la piste de freinage d'un véhicule restant immobilisé sans utilisation des freins pendant quelques jours. Grâce à la couche superficielle obtenue par le procédé proposé, la durée de vie des pièces traitées est généralement multipliée par deux.The invention aims to overcome at least one of the problems encountered in the prior art. In particular, the object of the invention is to propose a process for treating the cast iron parts intended to form part of the braking system of a vehicle, in order to perpetuate the resistance of the parts to the friction to which they are exposed, and to increase their resistance to oxidation. The invention relates to a heat treatment process of a cast iron part intended to be part of the braking system of a vehicle. The process is remarkable in that it comprises an ionic nitriding step. Ion nitriding gives the part a layer of superficial iron nitride. Preferably, the cast iron piece may be a brake disc or a brake drum. The ionic nitriding step is preferably carried out in the presence of nitrogen and hydrogen. The surface iron nitride layer applied to the cast iron piece may preferably have a thickness of between 10 to 20 μm. The layer may have a uniform thickness. The invention also relates to a cast iron part intended to be part of the braking system of a vehicle. The cast iron piece is remarkable in that it comprises a surface layer of iron nitride. Preferably the cast iron part may be a brake disc or a brake drum. The thickness of the surface iron nitride layer of the cast iron piece may be from 10 to 20 μm. The invention also relates to a braking system of a vehicle. The braking system is remarkable in that it comprises a cast iron piece according to the present invention. The ionic nitriding process is a nonmetal diffusion heat treatment process. With this heat treatment, it is possible to obtain a hard protective surface layer having a higher wear resistance than the known disc coating layers or brake drums. The production of cast iron dust and its deposition on the surrounding parts of the vehicle is greatly reduced by the use of the present invention. The good resistance to corrosion of the coating obtained allows the disc and the drum to keep a matte gray appearance that avoids the unsightly appearance of rust on the braking track of a vehicle remaining immobilized without using the brakes for a few days. Thanks to the surface layer obtained by the proposed process, the service life of the treated parts is generally doubled.

Le procédé de traitement par nitruration prend lieu dans un four comprenant un tube de décharge dans lequel la cathode sert de support à la charge, les parois du four constituant l'anode. Des fours adaptés à la nitruration permettent la formation d'un plasma ionisant. Une basse pression de l'ordre de quelques centaines de mbar peut être maintenue dans l'enceinte interne du four grâce à une canalisation d'extraction reliée à un extracteur. Un injecteur, comprenant généralement une pluralité de buses, permet d'introduire des gaz dans l'enceinte interne du four. L'installation comprend à cet effet des moyens d'approvisionnement en gaz contrôlés par des vannes. L'actionnement des différentes vannes permet l'injection dans l'enceinte interne du four des différents gaz de nitruration via l'injecteur. Des moyens de chauffage permettent d'élever et de maintenir la température interne du four aux valeurs de mise en oeuvre du procédé. La charge du four et composée d'une ou de plusieurs pièces en fonte à traiter, par exemple des disques de frein. Dans une première étape, après la mise en place de la charge sur la cathode, un vide ou une basse pression est réalisé dans l'enceinte du four. Un gaz réactif, tel que l'azote, y est introduit. Alternativement, de l'hydrogène et du méthane peuvent également être introduits dans l'enceinte du four ionisant. Après application d'une différence de potentiel de 300 V à 1000 V entre les deux électrodes, un plasma luminescent composé d'ions actifs se propage aux alentours des pièces de la charge. On obtient ainsi le chauffage et le décapage de la surface des pièces par dissipation de l'énergie cinétique des ions en énergie calorifique. Le cycle comprend une première phase de montée en température accompagnée d'un décapage ionique sous hydrogène.The nitriding treatment process takes place in an oven comprising a discharge tube in which the cathode serves as support for the charge, the oven walls constituting the anode. Furnaces adapted to nitriding allow the formation of an ionizing plasma. A low pressure of the order of a few hundred mbar can be maintained in the inner chamber of the furnace through an extraction pipe connected to an extractor. An injector, generally comprising a plurality of nozzles, makes it possible to introduce gases into the internal chamber of the furnace. The installation includes for this purpose gas supply means controlled by valves. The actuation of the various valves allows the injection of the various nitriding gases via the injector into the internal chamber of the furnace. Heating means make it possible to raise and maintain the internal temperature of the oven to the values of implementation of the method. The load of the furnace and composed of one or more cast iron parts to be treated, for example brake discs. In a first step, after placing the charge on the cathode, a vacuum or a low pressure is achieved in the furnace chamber. A reactive gas, such as nitrogen, is introduced. Alternatively, hydrogen and methane may also be introduced into the enclosure of the ionizing furnace. After applying a potential difference of 300 V to 1000 V between the two electrodes, a luminescent plasma composed of active ions propagates around the parts of the charge. The heating and stripping of the surface of the pieces is thus obtained by dissipating the kinetic energy of the ions into heat energy. The cycle includes a first phase of temperature rise accompanied by hydrogen ion etching.

Le cycle comprend ensuite une phase de maintien à température se situant entre 450 °C et 570 °C, par exemple de l'ordre de 540°C, pendant 2 ou 3 heures. Une implantation d'ions à lieu à la surface du métal. Ainsi est fourni l'azote nécessaire à la formation des nitrures métalliques. Il se forme en surface une couche mince et dure de nitrure de fer. Cette couche est généralement appelée « couche blanche » ou « couche de combinaison » et comprend suivant l'apport en azote et la durée de l'opération du Fe4N seul ou un mélange de Fe4N (nitrure gamma prime y') et Fe3N (nitrure epsilon c). L'étape de nitruration est conduite de manière à augmenter la teneur surfacique en azote des pièces jusqu'à une teneur de 15 % d'azote (pourcentage donné en masse totale), de préférence comprise entre 5 et 10 %. L'épaisseur de la couche de combinaison va croître en fonction de la température et de la durée du traitement. Sous cette couche de combinaison se trouve la couche de diffusion dans laquelle l'azote diffuse selon un gradient de teneur en fonction notamment du temps. De manière générale, la durée de l'opération de nitruration est fonction de l'épaisseur des couches nitrurées voulues.The cycle then comprises a temperature maintenance phase lying between 450 ° C. and 570 ° C., for example of the order of 540 ° C., for 2 or 3 hours. Ion implantation takes place on the surface of the metal. Thus is provided the nitrogen necessary for the formation of metal nitrides. A thin, hard layer of iron nitride forms on the surface. This layer is generally called "white layer" or "combination layer" and comprises depending on the nitrogen supply and the duration of the operation of Fe4N alone or a mixture of Fe4N (nitride gamma prime y ') and Fe3N (nitride epsilon vs). The nitriding step is carried out in such a way as to increase the nitrogen surface content of the pieces up to a content of 15% of nitrogen (percentage given by total mass), preferably of between 5 and 10%. The thickness of the combination layer will increase as a function of the temperature and the duration of the treatment. Under this combination layer is the diffusion layer in which the nitrogen diffuses according to a content gradient, in particular a function of time. In general, the duration of the nitriding operation is a function of the thickness of the desired nitride layers.

La température du traitement et la teneur en azote déterminent les caractéristiques de la couche de diffusion et de la couche de combinaison qui sont créées. Les mélanges pauvres en azote permettent d'obtenir des couches profondes de diffusion avec de faibles couches de combinaison, tandis que les mélanges riches en azote permettent d'obtenir des couches de combinaison importantes. Plus la température augmente, plus la diffusion de l'azote dans le métal est importante. Les nitrures E apportent une dureté supérieure aux nitrures y' et présentent un très bon coefficient de frottement. En ajustant l'apport d'azote lors du traitement par nitruration ionique, il est possible d'optimiser la nature des couches obtenues en fonction des caractéristiques mécaniques visées. Le traitement n'est pas directionnel et on obtient un durcissement superficiel, uniforme et homogène, ce qui est également intéressant pour des pièces à géométrie complexe. Après la fin de la phase de nitruration ionique, le traitement s'achève par une phase de refroidissement forcée sous convection d'azote dans l'enceinte du four. Le refroidissement se fait par exemple par une soufflerie faisant partie du four utilisé. Le procédé selon la présente invention permet d'obtenir des disques, tambours et autres parties en fonte destinées à être utilisées dans un système de freinage d'un véhicule, comprenant des couches superficielles de nitrures de fer d'une épaisseur allant de 10 à 20 um. Un système de frein équipé de telles pièces présente une longévité accrue grâce aux propriétés tribologiques et mécaniques augmentées des pièces traitées.The temperature of the treatment and the nitrogen content determine the characteristics of the diffusion layer and the combination layer that are created. Nitrogen-poor blends provide deep diffusion layers with low combination layers, while nitrogen-rich blends provide important combination layers. The higher the temperature, the greater the diffusion of nitrogen into the metal. The nitrides E provide a hardness greater than the nitrides y 'and have a very good coefficient of friction. By adjusting the nitrogen supply during the ionic nitriding treatment, it is possible to optimize the nature of the layers obtained according to the mechanical characteristics concerned. The treatment is not directional and a superficial, uniform and homogeneous hardening is obtained, which is also interesting for pieces with complex geometry. After the end of the ionic nitriding phase, the treatment is completed by a forced cooling phase under nitrogen convection in the furnace chamber. The cooling is done for example by a blower forming part of the oven used. The method according to the present invention makes it possible to obtain discs, drums and other cast iron parts for use in a braking system of a vehicle, comprising surface layers of iron nitrides having a thickness of from 10 to 20 μm. um. A brake system equipped with such parts has increased longevity due to the increased tribological and mechanical properties of the treated parts.

Claims

REVENDICATIONS1. Process for heat treatment of a cast iron component intended to form part of the braking system of a vehicle, characterized in that the process comprises an ionic nitriding step, so that the part obtains a layer of iron nitride superficial.

2. Method according to claim 1, characterized in that the piece is a brake disc.

3. Method according to claim 1, characterized in that the piece is a brake drum.

4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ion nitriding step is in the presence of nitrogen and hydrogen.

5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the surface iron nitride layer has a thickness of between 10 and 20 microns.

6. Cast iron component intended to be part of the braking system of a vehicle, characterized in that the part comprises a surface layer of iron nitride.

7. cast iron piece according to claim 6, characterized in that the piece is a brake disc.

8. cast iron piece according to claim 6, characterized in that the piece is a brake drum.

9. Cast iron part according to one of claims 6 to 8, characterized in that the thickness of the surface iron nitride layer is between 10 and 20 microns.

Brake system of a vehicle, characterized in that it comprises a cast iron component according to one of claims 6 to 9.