Bibliographie & annexes
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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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Conclusion
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3. Transfert de l’azote dans l’état solide
3.1 Système binaire Fe–N
3.1.1 Diffusion en système polyphasé
Le fait que les nitrures de fer ε – Fe2 N 1−x et γ′ − Fe4 N 1−x présentent un domaine de composition étendu (environ 0,15 % en poids pour γ′ et environ 4 % en poids pour ε à 570 °C) explique que la configuration ε/γ′, sur la couche de diffusion α en système binaire, présente une succession d’interfaces planes dont le déplacement (croissance des couches) est régi par la diffusion en volume des atomes d’azote dans les phases ε, γ′ et α. La figure 26 schématise une telle configuration à un instant déterminé mettant en évidence une discontinuité de la composition en azote aux interfaces ε/γ′ et γ′/α, soit respectivement les points C1εγ′/C2εγ′ et C1γ′α/C2γ′α. Ces points représentent la composition en azote, exprimée en fraction massique ou atomique lue sur le diagramme d’équilibre fer azote :
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pour C1εγ′ : interface ε/γ′ + ε ;
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pour C2εγ′ : interface γ′/γ′ + ε ;
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pour C1γ′α : interface γ′/γ′ + α ;
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pour C2γ′α : interface α/γ′ + α.
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Cette discontinuité s’explique par la règle des phases qui, appliquée en système binaire, implique qu’à température et pression constantes, la diffusion en volume des atomes d’azote (selon la loi de Fick) a lieu uniquement en domaine monophasé, c’est-à-dire dans les phases ε, γ′ et α, d’où la présence d’un équilibre thermodynamique local aux interfaces ε/γ′ + ε, γ′/γ′ + ε, γ′/γ′ + α et α/γ′ + α.
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Transfert de l’azote dans l’état solide
BIBLIOGRAPHIE
-
(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).
-
(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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