Nitruration
N.B : Les informations contenues dans cette fiche proviennent de sources dignes de foi. Néanmoins, elles sont fournies sans aucune garantie, expresse ou tacite, de leur exactitude.
Principe
La nitruration est une famille de traitements superficiels comprenant une phase d’enrichissement en azote de la surface d’un acier pour permettre un durcissement par la formation de nitrures. D’autres éléments comme le carbone, l’oxygène ou le soufre peuvent être rajoutés pour modifier les propriétés.
Le traitement s’effectue généralement en phase ferritique à une température inférieure à 590°C suivi d’un refroidissement lent. Mais une variante, non détaillée ici, est réalisée en phase austénitique jusqu’à des températures de 680 à 700°C. La durée du maintien est comprise entre 1 heure et plusieurs jours.
Le traitement de nitruration forme une couche de combinaison (ou couche blanche) composée de nitrures epsilon ε (Fe2N1-x) ou gamma prime ϒ’ (Fe4N) ou d’un mélange des 2, et d’une couche de diffusion où se forment des nitrures finement dispersés qui, selon leur composition, engendrent une forte augmentation de dureté.
Une couche de combinaison composée de nitrure ε présente des propriétés intéressantes. Le coefficient de frottement et la tenue à la corrosion sont améliorés. Pour favoriser sa formation, une petite quantité de carbone est rajoutée dans le milieu de nitruration. On parle alors de nitrocarburation.
De l’oxygène peut être introduit pendant le traitement ou après traitement pour former une couche d’oxyde de fer (Fe3O4) favorisant la tenue à la corrosion. Ce traitement est appelé Oxynitruration ou Oxynitrocarburation. Si la couche est usée par abrasion, la protection vis-à-vis de la corrosion est celle d’une nitruration classique.
Du soufre peut être introduit dans le milieu de nitruration pour améliorer les propriétés de frottement en améliorant la capacité d’accommodation des surfaces. Ce traitement est appelé Sulfonitruration ou Sulfonitrocarburation.
Lorsque dans le milieu nitrurant, outre l’azote, du carbone, de l’oxygène et du soufre sont rajoutés, le traitement est appelé Oxysulfonitrocarburation. Ce traitement améliore à la fois les propriétés de frottement et la tenue à la corrosion en modifiant la composition et la morphologie de la couch de combinaison.
Le durcissement de la couche de diffusion dépend de la présence dans l’alliage d’éléments chimiques tels que le chrome, l’aluminium, le molybdène ou le vanadium. La dureté de la couche de diffusion d’un acier non allié ne dépasse pas 350HV. Un prétraitement de trempe et de revenu est favorable car la disponibilité des éléments d’addition est favorisée par la présence de carbures de taille beaucoup faible qu’après recuit.
La nitruration peut être réalisée :
En milieu liquide, en bains de sels ;
Dans un mélange de gaz à pression atmosphérique (nitruration gazeuse) ou à pression réduite (nitruration basse pression) ;
Dans un plasma formé principalement d’ions azote (nitruration ionique).
Les aciers traités peuvent être :
Des aciers au carbone ou des fontes. La dureté n’est présente qu’au niveau de la couche de combinaison (800 à 1000HV).
Des aciers de construction comme l’acier 42CrMo4 ou l’acier prétraité à 1100MPa 40CrMnMo8. La dureté superficielle est de l’ordre de 600 à 800HV.
Des aciers à grande affinité avec l’azote comme l’acier 33CrMoV13 ou l’acier 41CrAlMo7-10. La dureté superficielle peut atteindre des valeurs supérieures à 1000HV.
Des aciers d’outillages comme l’acier X37CrMoV5-1 utilisé pour réaliser des matrices et des poinçons de forgeage à chaud ou des empreintes de moule d’injection plastique. La dureté peut dépasser 1200HV.
Des aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques pour améliorer les propriétés de frottement à chaud. La dureté superficielle dépasse 1000HV. Il est à noter que la nitruration de ces aciers réalisée dans les conditions classique dégrade la tenue à la corrosion.
Caractéristiques habituelles du traitement
La dureté de la couche de combinaison est de l’ordre de 1000HV ;
L’épaisseur de la couche de combinaison varie de 0 à 40µm ;
La dureté de la couche de diffusion varie de 350HV à plus de 1200HV si des éléments d’addition tels que le chrome, l’aluminium, le molybdène et le vanadium sont présents.
Les contraintes résiduelles en surface sont en compression de l’ordre de -500MPa ce qui augmente la résistance à la fatigue mécanique ;
La profondeur de traitement visée est comprise entre 0,03 et 0,5mm dans les cas courants. Dans certaines applications extrêmes des profondeurs jusqu’à 1 mm sont visées ;
La résistance à la fatigue superficielle est augmentée car la zone superficielle sollicitée présente une limite d’élasticité élevée. La profondeur de traitement doit être suffisante pour couvrir la zone sollicitée ;
La tenue à la corrosion est améliorée par la formation d’une couche superficielle d’oxyde de fer et par une imprégnation après traitement de résine, de cire ou d’huile.
Les propriétés de frottement sont principalement améliorées par la formation de la couche de combinaison ;
Les déformations après traitement sont très faibles car la température de nitruration est choisie pour être inférieure de 50°C à la température de revenu. On note cependant une légère expansion volumique de quelques microns liée à l’introduction de l’azote ;
Dans certains cas, des épargnes sont possibles (plus aisé en nitruration ionique par masquage) et permettent des traitements localisés.
Applications
Pièces d’outillage pour limiter le frottement et résister à l’abrasion (moules, empreintes, matrices…)
Pièces mécaniques de série (axes, arbres, tiges, pistons, pignons, vilebrequin…) pour la résistance à l’usure
Pièces supportant une atmosphère corrosive pendant une courte durée (stockage)