Transcript Traitements superficiels

Traitements superficiels
Cémentation –Carbonitruration
Nitruration-Nitrocarburation
Implantation ionique
Cémentation
But : obtenir une pièce dure en surface et non fragile à cœur
Méthode : augmenter la teneur en carbone en surface et par traitement thermique
adapté vers 900/930°C puis transformer la couche enrichie en carbone en
martensite par un refroidissement rapide lors d’une opération de trempe.
Réaction chimique :
2 CO = CO2 + C
Milieu actif :
il peut être solide (cémentation en caisse abandonné après les années 1960)
Il peut être liquide (cémentation en bains de sels)
Il peut être gazeux (cémentation gazeuse en fours)
Aspects thermodynamiques et cinétiques de la
cémentation
Conditions thermodynamiques de la cémentation
2 CO = CO2 + C
Quelques rappels de thermochimie
aA + bB = cC + dD
constante d’équilibre : Kp
a a
Kp 
a a
c
C
a
A
Pour des constituants gazeux
Pour notre cas
Kp 
d
D
b
B
P P
Kp 
P P
c
C
a
A
aC  PCO2
2
PCO
d
D
b
B
aC : activité du carbone
Kp : fonction de la température
2
Kp  PCO
aC 
PCO2
Conditions pour qu'il y ait transfert du carbone depuis le milieu gazeux dans le métal :
Teneur en carbone dissout dans l’austénite
gaz
C
a
a
solide
C
Fe
C
a
C
4798,6
 1,07(1  u) exp(
)
T
100 19,6C
Coefficient dépendant de la composition (éléments d’alliage)
On définit le « potentiel carbone » du milieu gazeux comme étant la teneur en carbone que
prendrait une éprouvette de de fer pur très mince si on la plongeait dans le milieu de
cémentation, au bout d’un temps très long. Le potentiel carbone caractérise le milieu.
On l’appelle « C ».
4798,6
C
aC  1,07 exp(
)
T
100 19,6C
100C
C 
100 u (100 19,6C )
surface
Donc il y aura-t-il cémentation pour une pièce en acier de teneur en carbone en surface C
Csurface  C
Il y aura cémentation
Csurface  C
Il y n’aura pas cémentation
Lois de diffusion : loi de Fick (voir cours « défauts »)
La solution de la seconde loi de Fick permet de calculer le profil de concentration
C ( x)  CS
 x 
 erf 

C0  C S
 2 Dt 
 Q 
D  D0 exp

 RT 
Cs : concentration en C en surface (potentiel carbone)
C0 : concentration en C dans l’acier
D : coefficient de diffusion
D0 : constante qui dépend du couple de diffusion
T : température en K
Q : énergie d’activation thermique qui dépend du
couple de diffusion
t : temps
R : constante des gaz parfaits
Profil de concentration
C(x)
Cs
C0
x
Traitement thermique post diffusion
• Après diffusion du carbone on trempe la pièce pour provoquer une
transformation martensitique
• C’est une transformation hors équilibre, sans diffusion, par cisaillement du
réseau cristallin. On passe de la maille CFC de l’austénite à une maille QC
Dureté de la couche cémentée
c/a = 1 + 0,0046 x %C
La distorsion du réseau cristallin augmente avec le %C. La dureté augmente par
conséquent. Le profil de dureté doit suivre le profil de concentration en
carbone. Cependant, le carbone est un élément gammagène qui peut donner
lieu à une partie d’austénite non transformée à température ambiante
(l’austénite résiduelle). L’austénite est une phase beaucoup moins dure que la
martensite, aussi la dureté atteint finalement une valeur asymptotique vers les
0,8% en masse (proche de la teneur eutectoïde).
Dureté martensite seule
Dureté liée à l’austénite
Couche dure et
en compression
Dureté liée à l’austénite
0,8%
Zone ductile
% carbone Épaisseur : 0,3 à 2,5 mm
Dureté maxi : env 65 HRc (env 830 HV)
Les analyses de structures et les analyses de dureté des couches
Détermination conventionnelle de
la profondeur de cémentation
Carbonitruration
Principe : on rajoute à l’atmosphère de cémentation de l’azote qui augmente la
solubilité du carbone dans l’austénite et qui augmente donc sa pénétration. Ce point
est intéressant pour traiter des aciers peu alliés donc peu trempables.
L’azote permet d’augmenter la trempabilité de l’acier (sa faculté à former de la
martensite) mais il diminue les températures de début et fin de transformation
martensitiques (Ms et Mf). La température de fin de transformation martensitique peut
être inférieure à la température ambiante. Dans ce cas, il reste une part plus ou moins
importante (quelques %) d’austénite résiduelle. L’austénite résiduelle diminue la dureté
de la couche carbonitrurée, et la martensite est instable. Elle est susceptible de se
transformer en cours d’utilisation de la pièce traitée avec modification dimensionnelle.
On pratique alors des traitements cryogéniques (sous Mf) pour stabiliser la structure
martensitique.
Propriétés et applications
Les traitements industriels
Cémentation : on brûle un alcane (méthane, propane, butane) avec un défaut d’oxygène
(réacteur endothermique). Un défaut d’oxygène provoque la formation de CO en plus
grande quantité.
On peut utiliser la cémentation basse pression ce qui augmente le flux de carbone par
déplacement des équilibres chimiques vers la droite (augmentation du nombre de moles).
C3H8 = C2H4 + CH4
C2H4 = C + CH4
C2H4 = 2C +2H2
Un procédé dérivé consiste à introduire un gaz neutre (l’azote) de telle manière à diminuer
les pressions partielles des gaz réactifs et déplacer les équilibres. Ce procédé est moins
couteux que sous vide.
Carbonitruration : On ajoute de l’ammoniac qui se décompose suivant la réaction
NH3 = N + 3/2 H2
Les installations
Cycles de traitements de cémentation
nitruration
But : obtenir une pièce dure en surface et non fragile à cœur
Méthode : Faire diffuser dans la pièce à traiter en surface de l’azote. L’azote va durcir
le matériaux soit par solution solide d’insertion mais surtout grâce à la formation
de fins précipités, des nitrures.
Méthodes de nitruration:
la nitruration en phase liquide : bains de sels à base de cyanures
la nitruration gazeuse : dissociation de l'ammoniac et décomposition au contact de
l'acier .
la nitruration ionique
Métallurgie de la couche nitrurée
Domaine a : solution solide d’azote
dans le fer.
Nitrure ’ : Fe4N (entre 5,6 et 6,1 %N)
Structure CFC avec un atome d’azote
en site interstitiel octaédrique.
Dureté de 800 HV
Domaine e : Nitrures de fer Fe4N à
Fe2N (entre 6% et 11% d’azote)
Structure hexagonale compact
Nitrure x : Fe2N (environ 11% d’azote)
Structure orthorhombique.
Palier eutectoïde à 590°C : traitement sous ce palier vers
520/580°C.
Structure des couches nitrurées
En considérant la teneur décroissante en azote depuis la surface on aura les phases
successives suivantes :
Couche blanche de combinaison
nitrure e
mélange nitrures e et ’
mélange nitrure ’ et solution solide a
solution solide a : couche de diffusion
La couche de combinaison est fragile, ne résiste pas à la fatigue, est dure et doit être
éliminée pour éviter de se dégrader et d’augmenter l’usure des pièces en contact. Elle est
de très faible épaisseur.
La couche de diffusion est une solution solide d’azote dont le durcissement reste faible. La
nitruration d’aciers dans lesquels figurent des éléments d’alliages avides d’azote donne
lieu à la précipitation de fins nitrures qui durcissent fortement la couche.
On retrouve dans les aciers nitrurés : Cr, Va, Mo, Al, Mn, Ti. On obtient des duretés de 850
HV à 1300 HV.
Nitrocarburation : ajout de carbone pour éviter la formation de phase fragile dans la
couche blanche .
Méthodes industrielles de nitruration
Procédés en bain de sels
Le premier bain de sel pour la nitrocarburation est apparu en 1929, mais il fallut attendre le
milieu des années 60 pour que l’utilisation de ce procédé connaisse une large utilisation. Le
bain initial étaitconstitué de sels à base de cyanure dont la concentration
pouvait atteindre 50%. Désormais, cette concentration est ramenée à 1-5%.
Les procédés en bain de sel perdent cependant rapidement du terrain au profit des procédés
en atmosphère gazeuse et sous plasma, cela pour des raisons environnementales.
4 NaCN + 2 O2 = 4 NaOCN
4 NaOCN = Na2CO3 + 2 NaCN + CO + 2N
Températures env 570°C, 1H30
Epaisseurs : env 20 micromètres
Nitruration ionique
Les procédés sous plasma utilisent un gaz ionisé qui fait à la fois office d’agent de
chauffage et de nitruration.
Technique développée début des années 70 .
Les pièces à traiter sont placées dans une chambre sous vide et le four est rempli
de gaz jusqu’à une pression de 10-800 Pa. Le plasma est généré par application
d’un courant électrique direct entre la charge formant cathode et la paroi de
la chambre formant anode. La tension appliquée (300-800 V) accélère la
migration des ions en direction de la surface de la charge.
Le procédé sous plasma fait appel à des températures comprises entre 400° et
800°C, ce qui permet donc une grande souplesse.
Propriétés des couches nitrurées
Épaisseurs nitrurées
Duretés fonction des éléments d’alliage formant des nitrures
Profil de contraintes résiduelles en compression
Amélioration de la résistance en fatigue
Amélioration de la résistance à la corrosion
Amélioration de la résistance à l’usure
Implantation ionique
Principe : implanter des ions accélérés et séparés par masse.
Particularité : traitement à froid contrairement à la nitruration ionique.