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RÉSUMÉ
Le transfert de l'azote en phase ferritique s'accompagne de précipitation de nitrures qui assurent le durcissement et le développement de contraintes de compression : mécanismes de diffusion-précipitation. Une analyse des mécanismes a pu être effectuée par une approche combinant simulation thermodynamique et cinétique et observations microstructurales (METHR). Cette caractérisation met en évidence la précipitation de nitrures de chrome substitués en fer. Cette approche globale montre que la simulation est particulièrement efficace.
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Nitrogen transfer in the ferritic phase is accompanied by nitride precipitation which provides hardening and the development of compressive stresses: diffusion-precipitation mechanisms. The accurate analysis of mechanisms has been made possible by an approach combining thermodynamic and kinetic simulation and microstructural observations (High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM)). This characterization reveals the precipitation of chromium nitrides substituted by iron. This comprehensive approach shows that the simulation is particularly effective.
Auteur(s)
-
Jacky DULCY : Ingénieur de recherche CNRS, Ingénieur civil des Mines
-
Michel GANTOIS : Professeur à l'École Nationale Supérieure des Mines et à l'École Européenne en Génie des Matériaux, Nancy
INTRODUCTION
La formation des couches de combinaison ε et γ′ par traitement thermochimique de nitruration des alliages ferreux s'accompagne d'une diffusion de l'azote dans la phase ferritique à des températures inférieures à 570 °C. Il se forme à partir de l'interface couche de combinaison-matrice ferritique un gradient de concentration en azote. La formation de ce gradient de concentration en azote s'accompagne de phénomènes de précipitation de nitrures dont la structure cristallographique, la composition, la morphologie et la répartition dépendent de la composition de l'acier et de la température à laquelle s'effectue la diffusion de l'azote. Cette précipitation établissant le gradient de concentration en azote se traduit par l'apparition d'un gradient de dureté et de contraintes de compression, qui ont pour conséquence un accroissement de la résistance mécanique de la surface et de la résistance aux différents phénomènes de fatigue. La connaissance des mécanismes de précipitation et de durcissement est fondamentale pour optimiser, d'une part la composition des aciers (nature et concentration des éléments d'alliages), et d'autre part les paramètres du traitement de nitruration (composition de l'atmosphère gazeuse, température, etc.) qui conditionnent le transfert d'azote à la surface de l'acier.
Les connaissances les plus récentes sur les équilibres thermodynamiques, et les mécanismes de transfert de matière, ainsi que sur les méthodes d'études microstructurales par microscopie électronique à haute définition, ont été mises en œuvre conjointement pour élucider tous ces mécanismes et permettre d'en faire une présentation rationnelle et utile à leur compréhension et leur exploitation pratique.
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KEYWORDS
nitriding | diffusion | layers | precipitation | thermodynamic | kinetic
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Système fer–carbone–chrome–azote1. Système fer-chrome-azote
Le transfert d'azote en système ternaire fer-chrome-azote met en œuvre des mécanismes de diffusion-précipitation. Pour illustrer l'interaction entre le chrome et l'azote, nous prendrons le cas de la nitruration sur des alliages fer-chrome de fraction massique en chrome 1 %, 3 % et 5 % nitrurés à 520 °C pendant 48 h (KN = 1). Le paramètre KN défini comme le rapport
est appelé « potentiel de nitruration » (NitrierKenzahl) [M 1 224]. À l'aide de ces traitements, nous expliquerons trois points importants qui concernent le transfert d'azote dans le système fer-chrome-azote, la localisation de l'azote lors du mécanisme de diffusion-précipitation, le type de nitrure précipité et le durcissement obtenu.
1.1 Localisation de l'azote : approche expérimentale
La figure 1 présente les profils de fraction massique en azote mesurés par microsonde électronique dans la couche de diffusion α sur des échantillons de type semi-infini. Autrement dit, la diffusion des atomes d'azote n'affectent pas le cœur de l'échantillon. La couche de combinaison γ′ à la surface a été éliminée afin de garder uniquement la couche de diffusion α. Ces profils de fraction massique en azote mettent en évidence que :
-
plus la fraction massique en chrome augmente, plus la profondeur de la couche de diffusion en azote est faible ;
-
plus la fraction massique en chrome augmente, plus la fraction massique en azote proche de la surface est importante. Cette fraction massique en azote correspond à l'azote combiné sous forme de nitrure de type CrN et à l'azote dissous en solution solide dans la matrice α.
À partir des profils...
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Système fer-chrome-azote
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DULCY (J.), GANTOIS (M.) - Progrès dans la connaissance des mécanismes de transfert appliqués aux traitements thermiques - Revue de Traitement Thermique, n° 360, p. 25-31 (2005).
-
(2) - DULCY (J.), GANTOIS (M.) - Progrès dans la connaissance des mécanismes de transfert appliqués aux traitements thermiques - Revue de Traitement Thermique : n° 368, p. 31-45 (2006).
-
(3) - GINTER (C.) - Influence des éléments d'alliage sur les mécanismes de nano-précipitation et sur les mécanismes de durcissement d'alliages modèles (Fe-Cr et Fe-Cr-C) et d'aciers industriels nitrurés - Thèse de Docteur de I.N.P.L., Nancy (juin 2006).
-
(4) - VAN WIGGEN (P.C.), ROZENDAAL (H.C.F), MITTEMEIJER (E.J.) - The nitriding behaviour of iron-chromium-carbon alloys - Journal of Materials Science, p. 4561-4582 (1985).
-
(5) - SOMERS (M.A.J.), LANKREIJER (R.M.), MITTEMEIJER (E.J.) - Excess nitrogen in ferrite matrix of nitrided binary iron-bases alloys - Philosophical Magazine A, vol. 59, p. 353-378...
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