Traitements superficiels

Cémentation –CarbonitrurationNitruration-Nitrocarburation

Implantation ionique

CémentationBut : obtenir une pièce dure en surface et non fragile à cœur

Méthode : augmenter la teneur en carbone en surface et par traitement thermique adapté vers 900/930°C puis transformer la couche enrichie en carbone en martensite par un refroidissement rapide lors d’une opération de trempe.

Réaction chimique :

2 CO = CO2 + C

Milieu actif : il peut être solide (cémentation en caisse abandonné après les années 1960)Il peut être liquide (cémentation en bains de sels)Il peut être gazeux (cémentation gazeuse en fours)

Aspects thermodynamiques et cinétiques de la cémentation

2 CO = CO2 + CQuelques rappels de thermochimieaA + bB = cC + dD constante d’équilibre : Kp

bB

aA

dD

cC

aaaaKp

bB

aA

dD

cC

PPPPKp

Pour des constituants gazeux

Pour notre cas 22

CO

COC

PPa

Kp

aC : activité du carbone

Kp : fonction de la température

Conditions thermodynamiques de la cémentation

2

2

CO

COC P

PKpa

Conditions pour qu'il y ait transfert du carbone depuis le milieu gazeux dans le métal :

solideC

gazC aa

CC

TuaFeC 6,19100

)6,4798exp()1(07,1

Teneur en carbone dissout dans l’austénite

Coefficient dépendant de la composition (éléments d’alliage)

On définit le « potentiel carbone » du milieu gazeux comme étant la teneur en carbone que prendrait une éprouvette de de fer pur très mince si on la plongeait dans le milieu de cémentation, au bout d’un temps très long. Le potentiel carbone caractérise le milieu. On l’appelle « C ».

CC

TaC 6,19100

)6,4798exp(07,1

)6,19100(100

100Cu

CC

CC

CCsurface

surface

Donc il y aura-t-il cémentation pour une pièce en acier de teneur en carbone en surface surfaceC

Il y aura cémentation

Il y n’aura pas cémentation

Lois de diffusion : loi de Fick (voir cours « défauts »)

La solution de la seconde loi de Fick permet de calculer le profil de concentration

RTQDD

Dtxerf

CCCxC

S

S

exp

2)(

0

0

Cs : concentration en C en surface (potentiel carbone)C0 : concentration en C dans l’acierD : coefficient de diffusionD0 : constante qui dépend du couple de diffusionT : température en KQ : énergie d’activation thermique qui dépend du couple de diffusiont : tempsR : constante des gaz parfaits

C(x)

x

Cs

C0

Profil de concentration

Traitement thermique post diffusion

• Après diffusion du carbone on trempe la pièce pour provoquer une transformation martensitique

• C’est une transformation hors équilibre, sans diffusion, par cisaillement du réseau cristallin. On passe de la maille CFC de l’austénite à une maille QC

Dureté de la couche cémentée

c/a = 1 + 0,0046 x %C

La distorsion du réseau cristallin augmente avec le %C. La dureté augmente par conséquent. Le profil de dureté doit suivre le profil de concentration en carbone. Cependant, le carbone est un élément gammagène qui peut donner lieu à une partie d’austénite non transformée à température ambiante (l’austénite résiduelle). L’austénite est une phase beaucoup moins dure que la martensite, aussi la dureté atteint finalement une valeur asymptotique vers les 0,8% en masse (proche de la teneur eutectoïde).

Dureté martensite seule

Dureté liée à l’austénite

Dureté liée à l’austénite

% carbone0,8%

Zone ductileCouche dure et en compression

Épaisseur : 0,3 à 2,5 mmDureté maxi : env 65 HRc (env 830 HV)

Les analyses de structures et les analyses de dureté des couches

Détermination conventionnelle de la profondeur de cémentation

Carbonitruration

Principe : on rajoute à l’atmosphère de cémentation de l’azote qui augmente la solubilité du carbone dans l’austénite et qui augmente donc sa pénétration. Ce point est intéressant pour traiter des aciers peu alliés donc peu trempables.

L’azote permet d’augmenter la trempabilité de l’acier (sa faculté à former de la martensite) mais il diminue les températures de début et fin de transformation martensitiques (Ms et Mf). La température de fin de transformation martensitique peut être inférieure à la température ambiante. Dans ce cas, il reste une part plus ou moins importante (quelques %) d’austénite résiduelle. L’austénite résiduelle diminue la dureté de la couche carbonitrurée, et la martensite est instable. Elle est susceptible de se transformer en cours d’utilisation de la pièce traitée avec modification dimensionnelle.

On pratique alors des traitements cryogéniques (sous Mf) pour stabiliser la structure martensitique.

Propriétés et applications

Les traitements industriels

Cémentation : on brûle un alcane (méthane, propane, butane) avec un défaut d’oxygène (réacteur endothermique). Un défaut d’oxygène provoque la formation de CO en plus grande quantité.On peut utiliser la cémentation basse pression ce qui augmente le flux de carbone par déplacement des équilibres chimiques vers la droite (augmentation du nombre de moles).

C3H8 = C2H4 + CH4

C2H4 = C + CH4

C2H4 = 2C +2H2

Un procédé dérivé consiste à introduire un gaz neutre (l’azote) de telle manière à diminuer les pressions partielles des gaz réactifs et déplacer les équilibres. Ce procédé est moins couteux que sous vide.

Carbonitruration : On ajoute de l’ammoniac qui se décompose suivant la réactionNH3 = N + 3/2 H2

Les installations

Cycles de traitements de cémentation

nitrurationBut : obtenir une pièce dure en surface et non fragile à cœur

Méthode : Faire diffuser dans la pièce à traiter en surface de l’azote. L’azote va durcir le matériaux soit par solution solide d’insertion mais surtout grâce à la formation de fins précipités, des nitrures.

Méthodes de nitruration:la nitruration en phase liquide : bains de sels à base de cyanures la nitruration gazeuse : dissociation de l'ammoniac et décomposition au contact de l'acier . la nitruration ionique

Métallurgie de la couche nitrurée

Palier eutectoïde à 590°C : traitement sous ce palier vers 520/580°C.

Domaine a : solution solide d’azote dans le fer.

Nitrure ’ : Fe4N (entre 5,6 et 6,1 %N)Structure CFC avec un atome d’azote en site interstitiel octaédrique.Dureté de 800 HV

Domaine e : Nitrures de fer Fe4N à Fe2N (entre 6% et 11% d’azote)Structure hexagonale compact

Nitrure x : Fe2N (environ 11% d’azote)Structure orthorhombique.

Structure des couches nitrurées

En considérant la teneur décroissante en azote depuis la surface on aura les phases successives suivantes :nitrure emélange nitrures e et ’mélange nitrure ’ et solution solide asolution solide a : couche de diffusion

La couche de combinaison est fragile, ne résiste pas à la fatigue, est dure et doit être éliminée pour éviter de se dégrader et d’augmenter l’usure des pièces en contact. Elle est de très faible épaisseur.La couche de diffusion est une solution solide d’azote dont le durcissement reste faible. La nitruration d’aciers dans lesquels figurent des éléments d’alliages avides d’azote donne lieu à la précipitation de fins nitrures qui durcissent fortement la couche.On retrouve dans les aciers nitrurés : Cr, Va, Mo, Al, Mn, Ti. On obtient des duretés de 850 HV à 1300 HV.Nitrocarburation : ajout de carbone pour éviter la formation de phase fragile dans la couche blanche .

Couche blanche de combinaison

Méthodes industrielles de nitruration

Procédés en bain de sels

Le premier bain de sel pour la nitrocarburation est apparu en 1929, mais il fallut attendre le milieu des années 60 pour que l’utilisation de ce procédé connaisse une large utilisation. Le bain initial étaitconstitué de sels à base de cyanure dont la concentrationpouvait atteindre 50%. Désormais, cette concentration est ramenée à 1-5%.Les procédés en bain de sel perdent cependant rapidement du terrain au profit des procédés en atmosphère gazeuse et sous plasma, cela pour des raisons environnementales.

4 NaCN + 2 O2 = 4 NaOCN4 NaOCN = Na2CO3 + 2 NaCN + CO + 2N

Températures env 570°C, 1H30Epaisseurs : env 20 micromètres

Nitruration ioniqueLes procédés sous plasma utilisent un gaz ionisé qui fait à la fois office d’agent de chauffage et de nitruration. Technique développée début des années 70 .Les pièces à traiter sont placées dans une chambre sous vide et le four est rempli de gaz jusqu’à une pression de 10-800 Pa. Le plasma est généré par application d’un courant électrique direct entre la charge formant cathode et la paroi dela chambre formant anode. La tension appliquée (300-800 V) accélère la migration des ions en direction de la surface de la charge.Le procédé sous plasma fait appel à des températures comprises entre 400° et 800°C, ce qui permet donc une grande souplesse.

Propriétés des couches nitrurées

Épaisseurs nitrurées Duretés fonction des éléments d’alliage formant des nitrures

Profil de contraintes résiduelles en compression

Amélioration de la résistance en fatigue

Amélioration de la résistance à l’usure

Amélioration de la résistance à la corrosion

Implantation ionique

Principe : implanter des ions accélérés et séparés par masse. Particularité : traitement à froid contrairement à la nitruration ionique.