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RÉSUMÉ
Les traitements de nitruration et de nitrocarburation ont pour objectif de doter l’alliage métallique d’un gradient de dureté et de contraintes de compression qui améliorent ses résistances à l’usure et à la fatigue. Suite au transfert d’atomes d’azote et de carbone, des couches de combinaison se forment à la surface des aciers. La formation de ces couches 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.
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Michel GANTOIS : Professeur à l’École nationale supérieure des Mines et à l’École européenne d’ingénieurs en Génie de matériaux, Nancy
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Jacky DULCY : Ingénieur de recherches CNRS - Ingénieur civil des Mines
INTRODUCTION
Les traitements de nitruration et de nitrocarburation ont pour objectif, à partir d’une réaction hétérogène de surface, de transférer dans l’alliage métallique solide des atomes d’azote (nitruration) ou des atomes d’azote et de carbone (nitrocarburation). Bien que ces traitements ne concernent pas que les alliages ferreux, c’est incontestablement pour ceux-ci qu’ils sont le plus généralement mis en œuvre sur de nombreuses nuances d’acier. En effet, grâce à la formation des phases qui accompagnent le transfert de l’azote dans l’acier, on obtient, à partir de la surface, un gradient de dureté et un gradient de contraintes de compression qui permettent d’améliorer, en particulier, les résistances à l’usure et à la fatigue.
Excepté pour le cas des aciers inoxydables austénitiques, les traitements sont réalisés en phase ferritique, c’est-à-dire à des températures comprises entre 380 et 580 °C, cette dernière température étant inférieure d’une dizaine de degrés à celle de la transformation eutectoïde dans le binaire fer-azote.
L’approche théorique des traitements de nitruration et de nitrocarburation est présentée pour les traitements qui mettent en œuvre des réactions hétérogènes gaz-solide (nitruration gazeuse par des mélanges contenant de l’ammoniac) pour lesquelles nous disposons de connaissances :
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thermodynamiques relatives aux systèmes fer-azote et fer-azote-carbone ;
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sur les mécanismes de transfert de matière en particulier à l’interface gaz-solide.
Nous expliquerons ici la formation des nitrures et des carbonitrures de fer (couches de combinaison) à partir des systèmes fer-azote et fer-azote-carbone.
Dans le second article, nous aborderons les mécanismes de diffusion/précipitation dans les aciers alliés contenant jusque 5 % de chrome (fraction massique) en vue d’expliquer la formation des précipités nanométriques qui confèrent, par exemple, aux aciers 38CrMoV13 et 32crMoV5 de remarquables propriétés mécaniques de surface.
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2. Principe de la réaction de nitruration
2.1 Pseudo équilibre hétérogène gaz/solide
Le mécanisme global de transfert d’azote au cours de la réaction de nitruration par la molécule de NH3 est tout à fait identique à celui mis en œuvre au cours du transfert de carbone lors de la réaction de cémentation par la molécule de CO dans un mélange CO–H2, et dépend des résistances de transfert R1 (transport en phase gazeuse vers la surface au travers de la couche limite) et R2 (réaction chimique à la surface) (figure 16 ).
La principale différence, mais dont la conséquence est primordiale, réside dans le fait que la molécule d’ammoniac, dans l’intervalle de température compris entre 400 et 600 °C, à la pression atmosphérique (pression totale P = 1 atm), devrait être complètement dissociée en diazote et dihydrogène (figure 17) si elle était dans des conditions d’équilibre thermodynamique suivant l’équation :
Le taux de dissociation (τ) de la molécule d’ammoniac dans les conditions d’équilibre thermodynamique est calculé à partir de la variation d’énergie de Gibbs standard de la réaction (figure 18, tableau 5).
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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).
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(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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