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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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Amélioration de la durée de vie de pièces carbonitrurées sollicitées en fatigue de contactArticle inclus dans l'offre
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2. Impacts métallurgiques de l’azote absorbé dans un acier carbonitruré surenrichi en azote
Pour rappeler les avantages de ce type de traitement thermochimique, qui repose sur le même principe que la cémentation tout en y associant l’ammoniac qui fournira à la matrice de l’azote, il est nécessaire de comprendre l’effet de cet interstitiel sur le diagramme fer-carbone. L’azote diffusible, qui se retrouvera en solution solide d’insertion dans l’austénite, aura un effet sur l’étendue et la stabilité de cette phase. Fortement gammagène, l’azote va donc diminuer la température AC1 (apparition du premier germe d’austénite au chauffage) et décaler vers la gauche le point eutectoïde (figure 5) . L’azote abaissera également la température de début de transformation martensitique Ms et diminuera la vitesse critique de trempe, au niveau des diagrammes TRC (Temps Refroidissement Continu).
Cette évolution métallurgique au niveau de l’austénite aura pour conséquence d’augmenter la trempabilité de la couche enrichie. Cela permettra :
-
de limiter la formation d’oxydation interne ;
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de réduire la vitesse de refroidissement et de travailler à des températures d’enrichissement inférieures à 880°C. Ces deux derniers points contribueront à réduire les déformations des produits après trempe.
Une fois dans le matériau, l’azote aura un impact sur la limite de solubilité du carbone dans l’austénite ; ce point doit être suivi avec précaution si l’on souhaite éviter la suie et la formation de Fe3C. Il en sera de même pour le carbone qui impactera la limite de solubilité de l’azote dans l’austénite, la formation des nitrures.
Au niveau de la teneur en austénite résiduelle, les différentes relations empiriques concernant le calcul de la température de début de transformation martensitique Ms montrent que l’azote abaisse le point Ms, mais dans des proportions moins importantes que le carbone (tableau 1).
Au cours d’une carbonitruration riche en azote, il est possible de faire varier à souhait le potentiel carbone...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(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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