Nitruration et nitrocarburation - Matériaux mis en œuvre et propriétés d’emploi

Les procédés industriels de nitrurations et nitrocarburation des alliages fer-carbone sont décrits dans l’article [M 1 227]. Ils regroupent une famille de traitements ayant pour effet de convertir la surface en nitrures de fer (ou carbonitrures de fer) sur une épaisseur variable de 2 à 40 µm, selon les paramètres de traitement (potentiel nitrurant, température, temps), constituant ainsi la couche de combinaison, ou couche blanche, dont les mécanismes théoriques de formation ont été décrits en [M 1 224]. Cette couche présente des caractéristiques particulièrement intéressantes, dont la dureté et les propriétés tribologiques. Nous avons vu par ailleurs qu’il était possible de maîtriser la structure cristalline de la couche de combinaison qui est de type cubique à face centrée (γ′) ou de type hexagonal centré (ε), l’ensemble de cette couche pouvant être monophasée ou biphasée. La nature de la structure est très importante pour l’obtention des performances recherchées. Le pilotage de ces résultats dépend du potentiel nitrurant ou nitrocarburant du procédé, la plage de réglage étant la plus étendue en nitruration et nitrocarburation gazeuse, d’où l’introduction des coefficients KN relié à l’activité nitrurante, et KC relié à la réaction carburante associée.

Au-delà de cette réaction de surface limitée en épaisseur, les différents procédés présentent une réaction thermochimique de diffusion de l’azote principalement, introduisant un gradient de dureté en profondeur, dépendant fortement de la nature et de la concentration en éléments d’alliage du matériau traité. Les lois de la diffusion, ou lois de Fick, définissent le coefficient de diffusion, fonction de la température et de la composition de l’alliage, et la vitesse de diffusion. Les aspects théoriques de ce mécanisme ont été définis en [M 1 227]. À ce gradient de dureté est associé un gradient de contraintes en compression, qui influe grandement sur les propriétés mécaniques en fatigue. Ainsi, les propriétés d’emploi des pièces nitrurées ou nitrocarburées dépendent fortement des nuances d’acier ou autres alliages utilisés.

Ce chapitre est consacré à l’examen des résultats et propriétés obtenus selon les alliages fer-carbone traités. Les résultats sont fonction pour une part non négligeable de l’état initial du matériau défini par ses opérations de traitement thermiques, et également des conditions de mise en œuvre : préparation avant traitement, paramètres de traitement et parachèvement éventuel. Ces résultats doivent naturellement faire l’objet d’opérations de contrôle. Comme dans tout procédé, il est nécessaire de mettre en évidence les défauts susceptibles d’être générés avec leurs conséquences et de déterminer les actions pour les éviter. La particularité de ces procédés est leur commercialisation par des marques derrière lesquelles il faut savoir identifier les spécificités ; en fin d’article, une comparaison des différents procédés est proposée.