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RÉSUMÉ
Les traitements de nitruration et de nitrocarburation ont pour objectif de doter l’alliage métallique d’un gradient de dureté et de contraintes de compression qui améliorent ses résistances à l’usure et à la fatigue. Suite au transfert d’atomes d’azote et de carbone, des couches de combinaison se forment à la surface des aciers. La formation de ces couches peut être décrite à l’aide d’une approche thermodynamique des systèmes binaires (fer-azote) et ternaires (fer-azote-carbone) et de la connaissance des mécanismes de transfert de matière relatifs à la diffusion de l’azote en systèmes polyphasés.
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Michel GANTOIS : Professeur à l’École nationale supérieure des Mines et à l’École européenne d’ingénieurs en Génie de matériaux, Nancy
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Jacky DULCY : Ingénieur de recherches CNRS - Ingénieur civil des Mines
INTRODUCTION
Les traitements de nitruration et de nitrocarburation ont pour objectif, à partir d’une réaction hétérogène de surface, de transférer dans l’alliage métallique solide des atomes d’azote (nitruration) ou des atomes d’azote et de carbone (nitrocarburation). Bien que ces traitements ne concernent pas que les alliages ferreux, c’est incontestablement pour ceux-ci qu’ils sont le plus généralement mis en œuvre sur de nombreuses nuances d’acier. En effet, grâce à la formation des phases qui accompagnent le transfert de l’azote dans l’acier, on obtient, à partir de la surface, un gradient de dureté et un gradient de contraintes de compression qui permettent d’améliorer, en particulier, les résistances à l’usure et à la fatigue.
Excepté pour le cas des aciers inoxydables austénitiques, les traitements sont réalisés en phase ferritique, c’est-à-dire à des températures comprises entre 380 et 580 °C, cette dernière température étant inférieure d’une dizaine de degrés à celle de la transformation eutectoïde dans le binaire fer-azote.
L’approche théorique des traitements de nitruration et de nitrocarburation est présentée pour les traitements qui mettent en œuvre des réactions hétérogènes gaz-solide (nitruration gazeuse par des mélanges contenant de l’ammoniac) pour lesquelles nous disposons de connaissances :
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thermodynamiques relatives aux systèmes fer-azote et fer-azote-carbone ;
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sur les mécanismes de transfert de matière en particulier à l’interface gaz-solide.
Nous expliquerons ici la formation des nitrures et des carbonitrures de fer (couches de combinaison) à partir des systèmes fer-azote et fer-azote-carbone.
Dans le second article, nous aborderons les mécanismes de diffusion/précipitation dans les aciers alliés contenant jusque 5 % de chrome (fraction massique) en vue d’expliquer la formation des précipités nanométriques qui confèrent, par exemple, aux aciers 38CrMoV13 et 32crMoV5 de remarquables propriétés mécaniques de surface.
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Systèmes binaire et ternaire fer-azote, fer-azote-carbone
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4. Conclusion
La formation des couches de combinaison (ε et γ′) à la surface des aciers peut être décrite à l’aide d’une approche thermodynamique des systèmes binaires (fer-azote) et ternaires (fer-azote-carbone) et de la connaissance des mécanismes de transfert de matière relatifs à la diffusion de l’azote en systèmes polyphasés.
Grâce aux travaux réalisés au cours des vingt dernières années, les bases de données thermodynamiques se sont enrichies de telle sorte qu’il est possible de mettre en œuvre des codes de calcul (tel que Thermo-Calc) permettant de prévoir et d’expliquer, avec une très grande précision, les domaines d’existence des phases ε et γ′ à la surface du fer et des aciers.
La connaissance récente des mécanismes de transfert de matière et la maîtrise des conditions limites aux interfaces ont permis la mise au point de modèles numériques, ou analytiques, de la cinétique de croissance des couches de combinaison ε et γ′.
La confrontation des prévisions de ces modèles thermodynamiques et cinétiques avec les résultats des nombreuses études métallurgiques réalisées depuis plusieurs dizaines d’années conduit à un accord, tant du point de vue qualitatif, que quantitatif. Cet accord entre les prévisions des modèles et les observations expérimentales valide les diverses hypothèses retenues pour mettre en œuvre les codes de calcul.
Il montre, d’autre part, que la nature des couches ε et γ′, leur composition (en particulier dans le cas du carbonitrure ε) et leur croissance dépendent de deux paramètres fondamentaux :
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KN , qui caractérise l’état du mélange gazeux utilisé ;
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un coefficient de transfert qui caractérise le comportement hydrodynamique du réacteur.
Avec la température, ces deux paramètres assurent le contrôle et le pilotage du procédé de nitruration en phase gazeuse à la pression atmosphérique.
Les modèles thermodynamiques et cinétiques doivent servir de base aux algorithmes de simulation et de pilotage des procédés mis en œuvre à l’échelle industrielle.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MITTEMEIJER (E.J.), SOMERS (M.A.J.) - Thermodynamics, kinetics and process control of nitriding - Surface Engineering, Vol. 13, p. 483-497 (1997).
-
(2) - KOOI (B.J.), SOMERS (M.A.J.), MITTEMEIJER (E.J.) - Thermodynamics and long-range order of nitrogen in γ′ − Fe4N1-x - Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 27A, p. 1055-1061 (April 1996).
-
(3) - KOOI (B.J.), SOMERS (M.A.J.), MITTEMEIJER (E.J.) - An evaluation of Fe-N phase diagram considering long-range order of N in γ′ and ε - Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 27A, p. 1063-1071 (1996).
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(4) - SOMERS (M.A.J.), MITTEMEIJER (E.J.) - Layer growth on gaseous nitriding of pure iron : Evaluation of diffusion coefficient for nitrogen in iron nitride - Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 26A, p. 57-71 (January 1995).
-
(5) - HILLERT (M.), STAFFANSON (I.) - The regular solution model for stoichiometric phases and ionic melts - Acta Chemical Scandinavica, vol. 24, p. 3618-3626.
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