Aciers de cémentation et de carbonitruration
Cémentation. Carbonitruration

1 - Définitions et principes

• 1.1 - Cémentation
• 1.2 - Carbonitruration
  Figure 1 - Évolution de la dureté en fonction de la teneur en carbone pour divers taux de martensite 

2 - Traitement en milieu solide : cémentation solide ou cémentation en caisse

3 - Traitement en milieu liquide : cémentation et cyanuration (carbonitruration) en bain de sels

• 3.1 - Bains de sels cyanurés
  Figure 3 - Profondeur de la couche cyanurée en fonction de la teneur en cyanure du bain pour un acier XC 18 (d’après J. Canuet) Figure 4 - Diagramme de fusion des mélanges Na2CO3 + diluant (d’après J. Canuet) Figure 5 - Diagramme de fusion des mélanges Na2CO3 + Na CN (d’après J. Canuet) Figure 6 - Teneur moyenne en carbone de chaque dixième de millimètre de la couche cyanurée suivant la teneur en NaCNO pour l’acier XC 18 (d’après J. Canuet) Figure 7 - Teneur moyenne en carbone et en azote de chaque dixième de millimètre de la couche avant et après passage au bain de cyanure Tableau 1 Tableau 2 Tableau 3 Tableau 4
• 3.2 - Bains de sels non cyanurés

4 - Traitement en milieu gazeux : cémentation et carbonitruration gazeuses

• 4.1 - Gaz support
  Figure 8 - Équilibres de deux atmosphères endothermiques à 1 050 oC Figure 9 - Schéma de principe d’une canne d’azote et de méthanol Figure 10 - Dilution de l’atmosphère azote-méthanol en fonction du pourcentage d’azote : effet sur la teneur en CO Figure 11 - Augmentation de la cinétique de transfert du carbone en fonction des teneurs en CO et H2 (d’après Kaspersma et coll.) Figure 12 - Influence du taux de méthanol sur la pénétration du carbone (doc. Air Liquide) Figure 13 - Contrôle du potentiel carbone d’une atmosphère azote-méthanol 40/60 (% volumique) à partir de la teneur en CO2 (doc. CETIM) Figure 14 - Contrôle du potentiel carbone d’une atmosphère azote-méthanol 40/60 (% volumique) à partir de la température de rosée TR (doc. CETIM) Figure 15 - Contrôle du potentiel carbone d’une atmosphère azote-méthanol 40/60 (% en masse) à partir de la teneur en oxygène déterminée par une sonde à oxygène (R.N. Blumenthal Advanced Materials and Process vol 146 no 1 juillet 1994) Tableau 5 Tableau 6 Tableau 7 Tableau 8
• 4.2 - Gaz d’addition
  Figure 16 - Influence de la température sur l’enrichissement superficiel en azote et sur la profondeur de la couche de diffusion (doc. ATTT) Figure 17 - Influence de la température et de la teneur en ammoniac sur l’enrichissement superficiel en azote (doc. ATTT) Figure 18 - Exemple de profils carbone et azote dans une couche carbonitrurée (d’après Madame Deleon)
• 4.3 - Contrôle et régulation des atmosphères
  Figure 19 - Ringard d’introduction du clinquant  Figure 20 - Schéma de principe de l’analyseur à infrarouges  Figure 21 - Centrale de prélèvement pour échantillon gazeux destiné à un analyseur par infrarouges  Figure 22 - Influence de la teneur en ammoniac dans l’atmosphère de carbonitruration sur le contrôle du potentiel carbone par CO2  Figure 23 - Schéma de principe d’une sonde à oxygène Figure 24 - Schéma d’appareil de mesure de température de rosée par variation d’impédance à la suite d’une condensation  Figure 25 - Évolution de la température de rosée en fonction du potentiel carbone et du taux d’ammoniac dans une atmosphère de carbonitruration Figure 26 - Schéma de principe de l’appareil à fil de résistivité variable  Figure 27 - Relation entre le changement de résistance du filament et le potentiel carbone à 930 oC  Figure 28 - Schéma de principe de régulation automatique d’atmosphère
• 4.4 - Lits fluidisés
  Figure 29 - Schéma de principe d’un four à lit fluidisé Figure 30 - Comparaison entre les lois de montée en température en milieux convectifs classiques et en lit fluidisé Figure 31 - Comparaison du lit fluidisé avec d’autres milieux de refroidissement pour un échantillon donné
• 4.5 - Procédés en cours de développement
  Figure 32 - Exemple de cycle de cémentation basse pression  Figure 33 - Exemple de cycle de cémentation en procédé ECOCARB®  Figure 34 - Schéma de principe d’une installation de cémentation ionique  Figure 35 - Densité de puissance minimale en fonction de la température de cémentation Figure 36 - Conditions opératoires permettant d’éviter le phénomène de cathode creuse
• 4.6 - Surcarburation

5 - Traitements thermiques après cémentation ou carbonitruration

• 5.1 - Durcissement par trempe
  Figure 37 - Cycles de durcissement par trempe effectués après cémentation et carbonitruration  Figure 38 - Influence du gradient carbone sur la chronologie des transformations  Figure 39 - Cycle thermique permettant d’obtenir un cœur bainitique avec une couche cémentée trempée martensitique Figure 40 - Déformations au traitement thermique d’aciers cémentés trempés en fonction de la température du fluide de trempe 
• 5.2 - Traitement par le froid
  Figure 41 - Influence du traitement par le froid avant revenu sur le profil des contraintes résiduelles de couches cémentées d’épaisseur 0,8 mm et de teneur superficielle en carbone de 0,95 %

6 - Mise en œuvre des traitements de cémentation et de carbonitruration

• 6.1 - Préparation
  Tableau 9 Tableau 10
• 6.2 - Post-traitement

7 - Matériels utilisés

• 7.1 - Description d’une ligne de traitement en bains de sels
• 7.2 - Description d’une ligne de traitement en phase gazeuse

8 - Aspects métallographiques des couches obtenues

• 8.1 - Cas de la cémentation
• 8.2 - Cas de la carbonitruration
  Figure 42 - Austénite résiduelle dans une couche cémentée et durcie par trempe  Figure 43 - Oxydation interne (liséré noir en surface) sur fond de martensite et d’austénite résiduelle Figure 44 - Carbures en nodules (blancs) en surface sur fond martensitique  Figure 45 - Carbures en réseaux (blancs) aux joints des grains  Figure 46 - Couche carbonitrurée : structure martensitique et austénite résiduelle  Figure 47 - Transformations bainitiques (en noir) dans une couche carbonitrurée  Figure 48 - Pores formés au cours du traitement de carbonitruration  Tableau 11 Tableau 12

9 - Aciers de cémentation et de carbonitruration

• 9.1 - Généralités
• 9.2 - Influence des éléments d’alliage sur les teneurs superficielles en carbone et en azote
• 9.3 - Influence de la composition chimique de l’acier sur la résistance à cœur après cémentation ou carbonitruration
  Figure 49 - Influence des nuances d’acier sur la teneur en carbone (d’après Moulin)
• 9.4 - Influence de la composition chimique des aciers sur la structure de la couche cémentée ou carbonitrurée
  Figure 50 - Diagramme niveau de résistance – trempabilité pour quelques nuances de cémentation (d’après G. Murry) Figure 51 - Diagramme niveau de résistance – trempabilité pour quelques nuances de carbonitruration (d’après G. Murry)
• 9.5 - Influence de la composition chimique de la nuance sur l’épaisseur de traitement
  Figure 52 - Diagramme d’équilibre fer-carbone Tableau 13
• 9.6 - Influence de la composition chimique des aciers sur la dureté superficielle des couches cémentées ou carbonitrurées
  Figure 53 - Profils carbone nécessaires pour différents aciers de cémentation pour obtenir une profondeur de cémentation de 1,20 mm (dureté conventionnelle de 52,5 HRC). Diamètre de la pièce 60 mm et sévérité de trempe H 0,30 Figure 54 - Courbes Jominy d’éprouvettes cémentées et facilité de cémentation

10 - Propriétés des pièces cémentées ou carbonitrurées

• 10.1 - Comportement des structures obtenues par cémentation vis-à-vis des sollicitations de service
• 10.2 - Comportement des structures obtenues par carbonitruration vis-à-vis des sollicitations de service
  Figure 55 - Comparaison de quelques propriétés d’emploi des principaux traitements thermiques de surface  Tableau 14 Tableau 15

11 - Normalisation et spécifications

12 - Défauts et déformations

• 12.1 - Défauts
• 12.2 - Défauts caractéristiques
  Figure 56 - Exemple de couche cémentée présentant une zone superficielle décarburée  Figure 57 - Exemple d’anomalie de trempe sur une pièce en acier 27 CD 4 carbonitrurée  Figure 58 - Valeurs du potentiel d’oxydation de différents éléments d’alliage de l’acier par chauffage dans une atmosphère endothermique à 930 oC  Tableau 16 Tableau 17
• 12.3 - Déformations
  Figure 59 - Variations dimensionnelles du diamètre primitif de la denture de pignons d’attaque de différentiel après cémentation et durcissement par trempe (d’après ) Figure 60 - Variations dimensionnelles de pignons de différentiel après cémentation et trempe en bain de sels (d’après ) Figure 61 - Influence de la température de carbonitruration sur les variations dimensionnelles de différents types de pièces (d’après ) Tableau 18 Tableau 19