Formation et durcissement de la couche de diffusion en nitruration et nitrocarburation - Systèmes fer-chrome-azote et fer-chrome-azote-carbone

INTRODUCTION

1 - SYSTÈME FER-CHROME-AZOTE

• 1.1 - Localisation de l'azote : approche expérimentale
  Figure 1 - Nitruration d'alliages fer-chrome à 520 °C pendant 48 h (KN = 1) [1] [2] [3] Figure 2 - Ternaire Fe-Cr-N - Coupe isotherme à 520 °C Figure 3 - Ternaire Fe-Cr-N - Coupe isotherme à 567 °C [6] Figure 4 - Profil de fraction massique en azote – Alliage Fe-3 %Cr nitrurées à 520 °C – 48 h (KN = 1) [1] [2] [3] Tableau 1 - Calcul du bilan azote pour les alliages Fe-1 %Cr, Fe-3 %Cr [...] Tableau 2 - Bilan azote calculé à la surface et en fond de couche pour un alliage [...]
• 1.2 - Localisation de l'azote : approche théorique
  Figure 5 - Profils de fraction massique en azote (expérimentaux et simulés) – Alliages fer-chrome (1 %Cr, 3 %Cr, 5 %Cr) nitrurés à 520 °C – 48 h (KN = 1) [1] [2] [3] Figure 6 - Profils de fraction massique en azote simulés à l'aide de Dictra – Alliage Fe-5 %Cr nitruré à 520 °C – 48 h (KN = 1) Figure 7 - Profils de fraction massique en azote simulés à l'aide de Dictra – Alliage Fe-3 %Cr nitruré à 520 °C – 48 h (KN = 1) Figure 8 - Profils de fraction massique en azote simulés à l'aide de Dictra – Alliage Fe-1 %Cr nitruré à 520 °C – 48 h (KN = 1) Figure 9 - Profils de fraction massique en azote (expérimentaux et simulés avec Dictra) - Alliage Fe-1 %Cr Figure 10 - Profils de fraction massique en azote (expérimentaux et simulés par Dictra) - Alliage Fe-3 %Cr Figure 11 - Profils de fraction massique en azote (expérimentaux et simulés par Dictra) - Alliage Fe-5 %Cr (KN = 1) Figure 12 - Représentation schématique de la zone diffusion – précipitation suivant l'approche de Wagner [16] Figure 13 - Évolution du paramètre ... Figure 14 - Profils de fraction massique en azote expérimentaux - Alliages fer-chrome 5 %Cr, 3 %Cr, 1 %Cr [1] [2] Figure 15 - Coupe isotherme à 520 °C, alliage Fe-Cr-N (Thermo-Calc SSOL2) Figure 16 - Coupe isotherme à 520 °C, alliage Fe-Cr-N (Thermo-Calc SSOL2) (en fraction atomique) Figure 17 - Profils de fraction massique en azote expérimentaux et simulés avec Dictra - Alliage Fe-5 %Cr nitruré à 520 °C – 48 h (KN = 1) [1] [2] Figure 18 - Évolution de la profondeur de diffusion selon le modèle de Wagner – Alliages fer-chrome 1 %Cr-3 %Cr-5 %Cr nitrurés à 520 °C (KN = 1 et KN = 9) Tableau 3 - Nitruration des alliages Fe-5 %Cr, Fe-3 %Cr, Fe-1 %Cr à 520 °C [...] Tableau 4 - Calcul de la variation de l'énergie de Gibbs standard de réaction [...] Tableau 5 - Calcul de la composition de la phase α en équilibre [...]
• 1.3 - Précipitation de nitrures de chrome substitués par du fer
  Figure 19 - Schématisation de la précipitation du nitrure MN dans la matrice ferritique selon les relations de Baker-Nutting [32] Figure 20 - Micrographie par METHR (Fe-1 %Cr nitruré 14 h à 553 °C) [28] Figure 21 - Schéma représentant les réseaux du Fe α et du nitrure CrN en semi-cohérence suivant les relations de Baker-Nutting (projection sur le plan (001)α) Figure 22 - Micrographie par METHR d'un précipité nanométrique de type CrN en semi-cohérence avec de la matrice ferritique (Fe-1 %Cr nitruré 14 h à 553 °C) [29] Figure 23 - Micrographie par METHR (Fe-1 %Cr nitruré 14 h à 553 °C) [28] Figure 24 - Profil de fraction massique en azote après nitruration d'un alliage Fe-3 %Cr [3] [15] Figure 25 - Nitrure (Fex, Cry)N d'un alliage Fe-3 %Cr nitruré à 520 °C – 48 h [3] [15] Figure 26 - Nitrure (Fex, Cry)N d'un alliage Fe-3 %Cr nitruré à 520°C – 48 h et revenu 48 h à 520°C [3] [15] Figure 27 - Images par MET de la croissance des germes Ni3Nb : premier stade de migration du joint de grain [36] Figure 28 - Images par MET de la formation d'une cellule : lamelles alternées de α/Ni3Nb [36] Figure 29 - Représentation de la transformation eutectoïde [37] et de la précipitation cellulaire ou discontinue Figure 30 - Microstructures de précipitation discontinue dans les alliages fer-chrome nitrurés à 520 °C pendant 24 h (KN = 9) [3] Figure 31 - Représentation de la formation d'une cellule lors de la précipitation discontinue [36]
• 1.4 - Mécanisme de durcissement – Microstructure
  Figure 32 - Représentation du durcissement par précipitation continue d'un seul type de précipités [M1111] Figure 33 - Durcissement des alliages Fe-1 %Cr et Fe-3 %Cr nitrurés à 520°C – 48 h (KN = 9) [3] Figure 34 - Microstructures de cellule de précipitation discontinue dans l'alliage Fe-3 %Cr nitruré à 520 °C – 24 h (KN = 9) [3] Figure 35 - Profil de fraction massique en azote après nitruration [3] Figure 36 - Durcissement après nitruration [3]

2 - SYSTÈME FER–CARBONE–CHROME–AZOTE

• 2.1 - Localisation de l'azote : approche expérimentale
  Figure 37 - Profil de fraction massique en azote après nitruration [3] Figure 38 - Vue par METHR des précipités de type (Fex, Cry)N sous forme de disques [3] Figure 39 - Précipités (Fex, Cry)N cubique face centrée, semi-cohérents durcissants [3] [40] Figure 40 - Précipités (Fex, Cry)N cubique face centrée [3] [40] Figure 41 - Nitrures de type (Fex, Cry)N globulaires incohérents [3] [40] Figure 42 - Spectre EDX réalisé par METHR sur un nitrure (Fex, Cry)N sous forme de disque [3]
• 2.2 - Localisation de l'azote : approche théorique
  Figure 43 - Évolution de la fraction molaire des phases en fonction de la fraction massique en azote (Thermo-Calc – SSOL2) [3] Tableau 6 - Calcul à l'équilibre thermodynamique de la composition [...] Tableau 7 - Précipitation des nitrures et transformation des carbures en nitrures [...]

3 - APPLICATION AUX ACIERS INDUSTRIELS

• 3.1 - Localisation de l'azote : approche expérimentale
  Figure 44 - Observation au METHR des carbures M23C6 et analyses EDX correspondantes [3] [40] Figure 45 - Profil de fraction massique en azote dans la couche de diffusion [3] Figure 46 - Observation au METHR de nitrures [3] Figure 47 - Observation au METHR de carbures M7C3 [3] Figure 48 - Observation au METHR de carbures M7C3 [3] Figure 49 - Observation au METHR de plaquettes MN CFC [3] Figure 50 - Observation au METHR de plaquettes MN CFC [3] Figure 51 - Observations au METHR de la transformation totale des carbures de type M7C3 en nitrures globulaires MN-CFC [3] Figure 52 - Comparaison entre le durcissement des aciers 32CrMoV13 et 30CrMoAl6.12 nitrurés à 520 °C – 24 h (KN = 3) [3] Tableau 8 - Composition des aciers 32CrMoV13, 30CrMoAl6.12 et 32CrMoV5 Tableau 9 - Comparaison entre la composition des carbures déterminée [...] Tableau 10 - Comparaison entre la composition des nitrures déterminée [...] Tableau 11 - Précipitation des nitrures et transformation des carbures en nitrures [...] Tableau 12 - Composition des carbures M23C6 avant nitruration et des nitrures MN [...] Tableau 13 - Formalisme du calcul des fractions massiques, atomiques, volumiques : [...] Tableau 14 - Estimation de la fraction massique et volumique des nitrures [...] Tableau 15 - Comparaison entre l'estimation de Thermo-Calc et l'approche [...] Tableau 16 - Composition des carbures M7C3 avant nitruration et des nitrures MN [...] Tableau 17 - Précipitation des nitrures MN et transformation des carbures M7C3 [...] Tableau 18 - Estimation de la fraction massique et volumique des nitrures [...] Tableau 19 - Comparaison de la fraction massique et volumique des nitrures [...]
• 3.2 - Localisation de l'azote : approche théorique
  Figure 53 - Profil de fraction massique en azote dans la couche de diffusion – Acier 32CrMoV13 nitruré à 520 °C – 55 h (KN = 0,88) Figure 54 - Micrographie optique de l'acier 32CrMoV13 nitruré – 55 h à 520 °C (KN = 1,62) Figure 55 - Calcul thermodynamique de la fraction volumique des phases en fonction de la fraction massique en azote (Thermo-Calc base de données SSOL2) Tableau 20 - Calcul à l'équilibre thermodynamique de la proportion des phases [...]
• 3.3 - Influence du KN sur la distribution du carbone et de l'azote
  Figure 56 - Profils de fraction massique en carbone et en azote – Acier 32CrMoV5 nitruré à 520 °C - 24h [45] Figure 57 - Profils de fraction massique en carbone – Acier 32CrMoV13 nitruré à 520 °C – 55 h (KN = 0,4 − 4 h + KN = 0,23 − 51 h) Figure 58 - Influence de la valeur du KN sur la présence du réseau de cémentite sous la surface – Acier 32CrMoV13 nitruré à 520 °C – 55 h Figure 59 - Images X en carbone et en azote – Acier 32CrMoV5 nitruré à 520 °C – 24 h [45] Tableau 21 - Conditions de nitruration des aciers 32CrMoV13 et 32CrMoV5 – État [...] Tableau 22 - Influence du KN sur l'interaction carbone-azote dans la couche [...]
• 3.4 - Durcissement des aciers 32CrMoV5 et 32CrMoV13
  Figure 60 - Évolution du profil de fraction massique en azote et du durcissement (dureté à cœur 400 HV 0,2 kg) – Acier 32CrMoV13 nitruré à 520 °C – 55h (KN = 0,88) Figure 61 - Comparaison entre le durcissement de l'acier 32CrMoV13 et des alliages Fe-1 %Cr et Fe-3 %Cr en fonction de la fraction massique en azote Figure 62 - Influence de la température sur le profil de fraction massique en azote – Acier 32CrMoV5 – 48 h (KN = 1) [1] [2] Figure 63 - Influence de la température sur le profil durcissement (dureté à cœur 388 HV 0,2 kg) – Acier 32CrMoV5 – 48 h (KN = 1) [1] [2] Figure 64 - Évolution du durcissement de l'acier 32CrMoV5 en fonction de la fraction massique en azote [1] [2]
• 3.5 - Stabilité thermique de la couche de diffusion
  Figure 65 - Profil de fraction massique en azote après traitement de nitruration à 520 °C – 24 h (KN = 9) – Acier 32CrMoV13 [3] [46] Figure 66 - Profil de fraction massique en azote après traitement de nitruration à 520 °C – 24 h (KN = 9) – Acier 32CrMoV5 [3] [46] Figure 67 - Profil de dureté après traitement de nitruration à 520 °C – 24 h (KN = 9) – Acier 32CrMoV13 [3] [46] Figure 68 - Profil de dureté après traitement de nitruration à 520 °C – 24 h (KN = 9) – Acier 32CrMoV5 [3] [46]

4 - CONCLUSIONS