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

M1223 v1 Article de référence

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

Auteur(s) : Jacky DULCY, Michel GANTOIS

Relu et validé le 26 mars 2024

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Sommaire
Médias

Présentation

1 - Système fer-chrome-azote

1.1 - Localisation de l'azote : approche expérimentale

$Figure 4 - Profil de fraction massique en azote – Alliage Fe-3 %Cr nitrurées à 520 °C – 48 h (KN = 1) [1] [2] [3]$ Tableau 1 Tableau 2
1.2 - Localisation de l'azote : approche théorique

$Figure 5 - Profils de fraction massique en azote (expérimentaux et simulés) – Alliages fer-chrome (1 %Cr, 3 %Cr, 5 %Cr) nitrurés à 520 °C – 48 h (KN = 1) [1] [2] [3]$ $Figure 6 - Profils de fraction massique en azote simulés à l'aide de Dictra – Alliage Fe-5 %Cr nitruré à 520 °C – 48 h (KN = 1)$ $Figure 7 - Profils de fraction massique en azote simulés à l'aide de Dictra – Alliage Fe-3 %Cr nitruré à 520 °C – 48 h (KN = 1)$ $Figure 8 - Profils de fraction massique en azote simulés à l'aide de Dictra – Alliage Fe-1 %Cr nitruré à 520 °C – 48 h (KN = 1)$ $Figure 9 - Profils de fraction massique en azote (expérimentaux et simulés avec Dictra) - Alliage Fe-1 %Cr$ $Figure 10 - Profils de fraction massique en azote (expérimentaux et simulés par Dictra) - Alliage Fe-3 %Cr$ $Figure 11 - Profils de fraction massique en azote (expérimentaux et simulés par Dictra) - Alliage Fe-5 %Cr (KN = 1)$ $Figure 14 - Profils de fraction massique en azote expérimentaux - Alliages fer-chrome 5 %Cr, 3 %Cr, 1 %Cr [1] [2]$ $Figure 16 - Coupe isotherme à 520 °C, alliage Fe-Cr-N (Thermo-Calc SSOL2) (en fraction atomique)$ $Figure 17 - Profils de fraction massique en azote expérimentaux et simulés avec Dictra - Alliage Fe-5 %Cr nitruré à 520 °C – 48 h (KN = 1) [1] [2]$ Tableau 3 Tableau 4 Tableau 5
1.3 - Précipitation de nitrures de chrome substitués par du fer

$Figure 24 - Profil de fraction massique en azote après nitruration d'un alliage Fe-3 %Cr [3] [15]$
1.4 - Mécanisme de durcissement – Microstructure

$Figure 35 - Profil de fraction massique en azote après nitruration [3]$

2 - Système fer–carbone–chrome–azote

2.1 - Localisation de l'azote : approche expérimentale

$Figure 37 - Profil de fraction massique en azote après nitruration [3]$
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 Tableau 7

3 - Application aux aciers industriels

3.1 - Localisation de l'azote : approche expérimentale

$Figure 45 - Profil de fraction massique en azote dans la couche de diffusion [3]$ Tableau 8 Tableau 9 Tableau 10 Tableau 11 Tableau 12 Tableau 13 Tableau 14 Tableau 15 Tableau 16 Tableau 17 Tableau 18 Tableau 19
3.2 - Localisation de l'azote : approche théorique

$Figure 53 - Profil de fraction massique en azote dans la couche de diffusion – Acier 32CrMoV13 nitruré à 520 °C – 55 h (KN = 0,88)$ $Figure 55 - Calcul thermodynamique de la fraction volumique des phases en fonction de la fraction massique en azote (Thermo-Calc base de données SSOL2)$ Tableau 20
3.3 - Influence du KN sur la distribution du carbone et de l'azote

$Figure 56 - Profils de fraction massique en carbone et en azote – Acier 32CrMoV5 nitruré à 520 °C - 24h [45]$ $Figure 57 - Profils de fraction massique en carbone – Acier 32CrMoV13 nitruré à 520 °C – 55 h (KN = 0,4 − 4 h + KN = 0,23 − 51 h)$ Tableau 21 Tableau 22
3.4 - Durcissement des aciers 32CrMoV5 et 32CrMoV13

$Figure 60 - Évolution du profil de fraction massique en azote et du durcissement (dureté à cœur 400 HV 0,2 kg) – Acier 32CrMoV13 nitruré à 520 °C – 55h (KN = 0,88)$ $Figure 61 - Comparaison entre le durcissement de l'acier 32CrMoV13 et des alliages Fe-1 %Cr et Fe-3 %Cr en fonction de la fraction massique en azote$ $Figure 62 - Influence de la température sur le profil de fraction massique en azote – Acier 32CrMoV5 – 48 h (KN = 1) [1] [2]$ $Figure 64 - Évolution du durcissement de l'acier 32CrMoV5 en fonction de la fraction massique en azote [1] [2]$
3.5 - Stabilité thermique de la couche de diffusion

$Figure 65 - Profil de fraction massique en azote après traitement de nitruration à 520 °C – 24 h (KN = 9) – Acier 32CrMoV13 [3] [46]$ $Figure 66 - Profil de fraction massique en azote après traitement de nitruration à 520 °C – 24 h (KN = 9) – Acier 32CrMoV5 [3] [46]$

4 - Conclusions

Bibliographie & annexes

Présentation

RÉSUMÉ

Le transfert de l'azote en phase ferritique s'accompagne de précipitation de nitrures qui assurent le durcissement et le développement de contraintes de compression : mécanismes de diffusion-précipitation. Une analyse des mécanismes a pu être effectuée par une approche combinant simulation thermodynamique et cinétique et observations microstructurales (METHR). Cette caractérisation met en évidence la précipitation de nitrures de chrome substitués en fer. Cette approche globale montre que la simulation est particulièrement efficace.

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Auteur(s)

Jacky DULCY : Ingénieur de recherche CNRS, Ingénieur civil des Mines
Michel GANTOIS : Professeur à l'École Nationale Supérieure des Mines et à l'École Européenne en Génie des Matériaux, Nancy

INTRODUCTION

La formation des couches de combinaison ε et γ′ par traitement thermochimique de nitruration des alliages ferreux s'accompagne d'une diffusion de l'azote dans la phase ferritique à des températures inférieures à 570 °C. Il se forme à partir de l'interface couche de combinaison-matrice ferritique un gradient de concentration en azote. La formation de ce gradient de concentration en azote s'accompagne de phénomènes de précipitation de nitrures dont la structure cristallographique, la composition, la morphologie et la répartition dépendent de la composition de l'acier et de la température à laquelle s'effectue la diffusion de l'azote. Cette précipitation établissant le gradient de concentration en azote se traduit par l'apparition d'un gradient de dureté et de contraintes de compression, qui ont pour conséquence un accroissement de la résistance mécanique de la surface et de la résistance aux différents phénomènes de fatigue. La connaissance des mécanismes de précipitation et de durcissement est fondamentale pour optimiser, d'une part la composition des aciers (nature et concentration des éléments d'alliages), et d'autre part les paramètres du traitement de nitruration (composition de l'atmosphère gazeuse, température, etc.) qui conditionnent le transfert d'azote à la surface de l'acier.

Les connaissances les plus récentes sur les équilibres thermodynamiques, et les mécanismes de transfert de matière, ainsi que sur les méthodes d'études microstructurales par microscopie électronique à haute définition, ont été mises en œuvre conjointement pour élucider tous ces mécanismes et permettre d'en faire une présentation rationnelle et utile à leur compréhension et leur exploitation pratique.

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MOTS-CLÉS

nitruration diffusion couche précipitation thermodynamique cinétique

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m1223

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1. Système fer-chrome-azote

Le transfert d'azote en système ternaire fer-chrome-azote met en œuvre des mécanismes de diffusion-précipitation. Pour illustrer l'interaction entre le chrome et l'azote, nous prendrons le cas de la nitruration sur des alliages fer-chrome de fraction massique en chrome 1 %, 3 % et 5 % nitrurés à 520 °C pendant 48 h (KN = 1). Le paramètre KN défini comme le rapport $\frac{P ({NH}_{3})}{P {(H_{2})}^{3/2}}$ est appelé « potentiel de nitruration » (NitrierKenzahl) [M 1 224]. À l'aide de ces traitements, nous expliquerons trois points importants qui concernent le transfert d'azote dans le système fer-chrome-azote, la localisation de l'azote lors du mécanisme de diffusion-précipitation, le type de nitrure précipité et le durcissement obtenu.

1.1 Localisation de l'azote : approche expérimentale

La figure 1 présente les profils de fraction massique en azote mesurés par microsonde électronique dans la couche de diffusion α sur des échantillons de type semi-infini. Autrement dit, la diffusion des atomes d'azote n'affectent pas le cœur de l'échantillon. La couche de combinaison γ′ à la surface a été éliminée afin de garder uniquement la couche de diffusion α. Ces profils de fraction massique en...

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