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Formation et durcissement de la couche de diffusion en nitruration et nitrocarburation - Systèmes fer-chrome-azote et fer-chrome-azote-carboneArticle de référence | Réf : M1224 v1
Auteur(s) : Michel GANTOIS, Jacky DULCY
Date de publication : 10 juin 2010
Relu et validé le 01 déc. 2016
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La formation des couches de combinaison (ε et γ′) à la surface des aciers peut être décrite à l’aide d’une approche thermodynamique des systèmes binaires (fer-azote) et ternaires (fer-azote-carbone) et de la connaissance des mécanismes de transfert de matière relatifs à la diffusion de l’azote en systèmes polyphasés.
Grâce aux travaux réalisés au cours des vingt dernières années, les bases de données thermodynamiques se sont enrichies de telle sorte qu’il est possible de mettre en œuvre des codes de calcul (tel que Thermo-Calc) permettant de prévoir et d’expliquer, avec une très grande précision, les domaines d’existence des phases ε et γ′ à la surface du fer et des aciers.
La connaissance récente des mécanismes de transfert de matière et la maîtrise des conditions limites aux interfaces ont permis la mise au point de modèles numériques, ou analytiques, de la cinétique de croissance des couches de combinaison ε et γ′.
La confrontation des prévisions de ces modèles thermodynamiques et cinétiques avec les résultats des nombreuses études métallurgiques réalisées depuis plusieurs dizaines d’années conduit à un accord, tant du point de vue qualitatif, que quantitatif. Cet accord entre les prévisions des modèles et les observations expérimentales valide les diverses hypothèses retenues pour mettre en œuvre les codes de calcul.
Il montre, d’autre part, que la nature des couches ε et γ′, leur composition (en particulier dans le cas du carbonitrure ε) et leur croissance dépendent de deux paramètres fondamentaux :
KN, qui caractérise l’état du mélange gazeux utilisé ;
un coefficient de transfert qui caractérise le comportement hydrodynamique du réacteur.
Avec la température, ces deux paramètres assurent le contrôle et le pilotage du procédé de nitruration en phase gazeuse à la pression atmosphérique.
Les modèles thermodynamiques et cinétiques doivent servir de base aux algorithmes de simulation et de pilotage des procédés mis en œuvre à l’échelle industrielle.
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TRAITEMENTS DES MÉTAUX
(1) - MITTEMEIJER (E.J.), SOMERS (M.A.J.) - Thermodynamics, kinetics and process control of nitriding - Surface Engineering, Vol. 13, p. 483-497 (1997).
(2) - KOOI (B.J.), SOMERS (M.A.J.), MITTEMEIJER (E.J.) - Thermodynamics and long-range order of nitrogen in γ′ − Fe4N1-x - Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 27A, p. 1055-1061 (April 1996).
(3) - KOOI (B.J.), SOMERS (M.A.J.), MITTEMEIJER (E.J.) - An evaluation of Fe-N phase diagram considering long-range order of N in γ′ and ε - Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 27A, p. 1063-1071 (1996).
(4) - SOMERS (M.A.J.), MITTEMEIJER (E.J.) - Layer growth on gaseous nitriding of pure iron : Evaluation of diffusion coefficient for nitrogen in iron nitride - Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 26A, p. 57-71 (January 1995).
(5) - HILLERT (M.), STAFFANSON (I.) - The regular solution model for stoichiometric phases and ionic melts - Acta Chemical Scandinavica, vol. 24, p. 3618-3626.
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