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RÉSUMÉ
En s’appuyant sur plusieurs études scientifiques, cet article a pour objectif de décrire les intérêts d’un point de vue métallurgique et mécanique des traitements de carbonitrurations profondes surenrichies à l’azote par rapport aux cémentations ou carbonitrurations classiques associées à des teneurs en ammoniac introduites dans les fours inférieures à 3%. Il sera également détaillé la manière dont ces atmosphères peuvent être contrôlées afin de maîtriser l’enrichissement en azote et en carbone.
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Alexandre FLEURENTIN : Expert judiciaire près de la cour d’appel de Paris - METALLO CORNER, Paris, France
INTRODUCTION
Les pièces mécaniques en acier traitées par cémentation ou carbonitruration suivies d’une trempe et d’un revenu sont utilisées sur des systèmes mécaniques sollicités en fatigue et/ou fatigue de contact. Depuis la fin du XXe siècle, on assiste à une décroissance du rapport poids/puissance des véhicules pour être en conformité avec les accords de Kyoto au niveau des rejets de CO2. La réduction de la taille des pièces de transmission du moteur et l’augmentation des couples mécaniques (downsizing) aboutissent à une augmentation des contraintes de service et une élévation possible de la température des systèmes principalement pour des pièces sollicitées en fatigue de contact. Il est donc nécessaire de travailler avec des aciers traités thermiquement qui auront des caractéristiques mécaniques et contraintes résiduelles améliorées et stables aux températures de travail (par exemple 250°C-300°C pour des pressions de contact de 3,5 à 4 GPa).
Face à cette orientation technique dictée par des impératifs écologiques, de nouveaux traitements thermochimiques ont été développés pour améliorer les caractéristiques mécaniques obtenus après une cémentation ou une carbonitruration classique, tout en restant économiquement compétitif par rapport aux traitements de longues durées, telles que les nitrurations et nitrocarburations. C’est pour ces raisons que les carbonitrurations profondes surenrichies à l’azote ont fait leur apparition dans les ateliers de traitements thermiques. On les trouve sous des appellations diverses telles que « deep carbo », « carbo HN » (High Nitrogen), « carbo HD » (High Diffusion)… L’objectif de cet article est dans un premier temps, de décrire les différences entre ces nouveaux traitements thermochimiques et la cémentation ou la carbonitruration standard, et dans un second temps, de détailler les moyens de réguler en production ces nouvelles atmosphères.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des sigles, notations et symboles utilisés.
Points clés :
Domaine : Traitement thermochimique
Degré de diffusion de la technologie : Croissance
Technologies impliquées : Fabrication engrenages, transmissions, roulements.
Domaines d’application : Automobile, aéronautique.
Principaux acteurs français :
Industriels : HACER, United Process Controls, SNR NTN, Métallo Corner.
Contact : [email protected]/ http://www.metallocorner.fr
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5. Conclusion
Comme nous l’avons souligné en introduction, les carbonitrurations surenrichies en azote ont été mises au point pour répondre à des sollicitations mécaniques qui tendent à échauffer un système mécanique sollicité en fatigue à une température supérieure à la température de revenu pratiquée (figure 16).
En effet, dans ce cas, la dureté et les contraintes résiduelles décroissent d’autant plus que la température atteinte est au-dessus de la température de revenu. La conséquence directe est une diminution de la tenue en fatigue, phénomène que l’on constate sur ces pièces cémentées ou faiblement carbonitrurées en fatigue de contact, comme nous l’avons présenté avec quelques exemples comparatifs.
Les carbonitrurations surenrichies à l’azote se positionnent donc comme un traitement thermochimique qui a pour mission de limiter l’adoucissement au revenu et de stabiliser les contraintes résiduelles de compression à l’image de ce que l’on peut constater avec des nitrurations , tout en gardant des temps de cycle proches des cycles de cémentation.
On peut également utiliser ce type de traitement thermochimique dans le cadre de traitement duplex lorsque l’on réalise des revêtements réalisés aux alentours de 300 à 400 °C du type PACVD (dépôt chimique en phase vapeur assisté plasma) ou PVD (dépôt physique en phase vapeur). L’association de carbonitruration surenrichie à l’azote à ces dépôts permettra de limiter la chute de dureté du substrat après ces traitements de surface.
Cet article a permis de montrer que l’obtention d’une structure métallurgique souhaitée définie par un niveau de dureté et par un taux d’austénite résiduelle passe par une maîtrise de l’enrichissement en azote et en carbone. Pour cela, il était primordial de piloter l’atmosphère du four à...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LOUKACHENKO (M.) - Mise au point de surfaces résistant à des sollicitations de roulement – glissement sous des pressions de contact 2,5 GPa et jusqu’à 300 °C. - Thèse menée à l’Institut National Polytechnique de Lorraine et soutenue (2006).
-
(2) - WATANABE (Y.), NARITA (N.), UMEGAKI (S.) - Rolling contact fatigue strength of carbo-nirtited and shot-peened chromium alloy steel. - Proceedings of the 18th conference, Rosemont (1998).
-
(3) - DAL’MAZ SILVA (W.), DULCY (J.), GHANBAJA (J.), MICHEL (G.), THIBAULT (S.), BELMONTE (T.) - Carbonitriding of low alloy steels : mechanical and metallurgical responses. - Materials Science & Engineering A693 (2017).
-
(4) - Volker Läpple, Wärmebehandlung des Stahls. - Grundlagen, Verfahren, und Werkstoffe Broschiert (2006).
-
(5) - STEINBACHER (M.), WINTER (K.-M.) - C and N potential controlled Carbonitriding for selectively increasing the strength properties of components of rolling bearings and hardened steels. - Europäische...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Hacer STTS, ZI des Lanches, Rue des Cyprès, 74300 Thyez
United Process Controls GmbH, Dürnauer Weg 30, 73092 Heiningen, Germany
Process électronic ZI des Tilleroyes, 20 rue Thomas Edison, 25000 Besançon
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
A3TS – Association de traitement thermique et de traitement de surface
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