Traitements superficiels

1. Traitements superficiels Cémentation –Carbonitruration Nitruration-Nitrocarburation Implantation ionique

2. Cémentation But : 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)

3. Aspects thermodynamiques et cinétiques de la cémentation Conditions thermodynamiques de la cémentation 2 CO = CO2 + C Quelques rappels de thermochimie aA + bB = cC + dD constante d’équilibre : Kp Pour des constituants gazeux aC : activité du carbone Kp : fonction de la température Pour notre cas

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

5. Donc il y aura-t-il cémentation pour une pièce en acier de teneur en carbone en surface 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 Cs : concentration en C en surface (potentiel carbone) C0 : concentration en C dans l’acier D : coefficient de diffusion D0 : constante qui dépend du couple de diffusion T : température en K Q : énergie d’activation thermique qui dépend du couple de diffusion t : temps R : constante des gaz parfaits

6. Profil de concentration C(x) Cs C0 x

7. 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

8. 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 Couche dure et en compression Zone ductile Dureté liée à l’austénite Épaisseur : 0,3 à 2,5 mm Dureté maxi : env 65 HRc (env 830 HV) 0,8% % carbone

9. Les analyses de structures et les analyses de dureté des couches Détermination conventionnelle de la profondeur de cémentation

10. 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.

11. Propriétés et applications

12. 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 réaction NH3 = N + 3/2 H2

13. Les installations Cycles de traitements de cémentation

14. nitruration • But : 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

15. Métallurgie de la couche nitrurée Domaine a : solution solide d’azote dans le fer. Nitrure g’ : 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. Palier eutectoïde à 590°C : traitement sous ce palier vers 520/580°C.

16. Structure des couches nitrurées En considérant la teneur décroissante en azote depuis la surface on aura les phases successives suivantes : nitrure e mélange nitrures e et g’ mélange nitrure g’ et solution solide a solution 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

17. Méthodes industrielles de nitruration Procédés en bain de sels Le premier bain de sel pour la nitrocarburationest 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 étaitconstituéde sels à base de cyanure dont la concentration pouvait 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 NaOCN 4 NaOCN = Na2CO3 + 2 NaCN + CO + 2N Températures env 570°C, 1H30 Epaisseurs : env 20 micromètres

18. Nitruration ionique Les 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 de la 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.

19. Propriétés des couches nitrurées Épaisseurs nitrurées Duretés fonction des éléments d’alliage formant des nitrures Profil de contraintes résiduelles en compression

20. Amélioration de la résistance en fatigue Amélioration de la résistance à la corrosion Amélioration de la résistance à l’usure

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