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Chapitre I: Revêtement et rechargement des aciers Introduction Pour apporter un

Chapitre I: Revêtement et rechargement des aciers Introduction Pour apporter une réponse adéquate aux différentes sollicitations que peut subir une pièce au niveau de son interface (frottement, corrosion …), il est souhaitable que la pièce présente de hautes caractéristiques de dureté et de résistance mécanique permettant ainsi d'améliorer la résistance au frottement et à l'usure. Parmi les procédés de traitement de surface couramment employés pour assurer les sus dites propriétés on utilise la voie thermochimique (cémentation, nitruration,…) complétée éventuellement par la voie mécanique (grenaillage). I- Procédés de revêtement des aciers Les traitements thermochimiques consistent à réaliser un gradient de composition chimique par diffusion le plus souvent d'un métalloïde : C, N, C+N, O. Les traitements les plus connus sont la cémentation, la nitruration et l'oxydation utilisés seuls ou combinés. I.1- Cémentation. La cémentation consiste à enrichir superficiellement en carbone une pièce mécanique maintenue à une température supérieure au point de transformation Ac3 de l'acier considéré dans un milieu carburant. L'opération consiste à réaliser une couche apte à la trempe par diffusion de carbone et à refroidir brusquement l'ensemble pour assurer la transformation martensitique de cette couche superficielle [1]. Le traitement de cémentation est le plus souvent réalisé en atmosphère gazeuse endothermique qui après décomposition thermique du méthanol, donne des compositions proches de celles fournies par les générateurs endothermiques. La cémentation comporte généralement deux étapes : l'enrichissement en carbone d'une couche superficielle de la pièce, suivie d'une trempe qui conduit à la dureté voulue. L'enrichissement en carbone est l'étape chimique du traitement. Par mise en contact avec un milieu cémentant, on forme à la surface de l'acier une couche superficielle plus au moins profonde enrichie en carbone. Il y a en fait deux phénomènes qui interviennent : une réaction chimique qui fournit du carbone à la surface du métal et un phénomène de diffusion dans la zone superficielle du métal de la surface vers l'intérieur. La solubilité du carbone en phase austénitique étant plus élevée en phase austénitique qu'en phase ferritique et le coefficient de diffusion augmente avec la température. Le traitement d'enrichissement a lieu à l'état austénitique vers 900-950°c. Le traitement de cémentation utilise trois types de céments :  Cément solide  Cément liquide  Cément gazeux Actuellement la cémentation gazeuse [2] s'adapte le mieux aux productions industrielles en série. Un milieu cémentant gazeux est obtenu à partir d'un générateur exo ou endothermique avec addition plus au moins importante d'hydrocarbures (CO, CO2, H2O, H2, CH4, et N2). La connaissance des caractéristiques de l'atmosphère pour les quelles il y a possibilité de formation de carbures et / ou d'oxydes est en général nécessaire pour conduire correctement un traitement de cémentation [3]. Le milieu cémentant agit comme une source de carbone superficielle fixant dans les conditions d'équilibre la teneur en surface. Il va donc y avoir simultanément un phénomène de diffusion: un gradient de concentration est établi dans lequel la teneur en carbone décroît de la surface au centre. Le durcissement de la couche carburée s'obtient par trempe (en général à l'huile) après trempe les pièces subissent un revenu de détente vers 150 à 200 °c conduisant à une augmentation de la ténacité de la couche. Récemment, deux variantes du procédé de cémentation gazeuse se sont développées; il s'agit de la cémentation sous pression réduite [4] et de la cémentation par bombardement ionique. Dans les deux cas il n'y a pas d'oxydation superficielle, laquelle se traduit par une chute de dureté prés de la surface avec réduction de la résistance à la fatigue thermomécanique. Le bombardement ionique permet d'obtenir avec des atmosphères contenant essentiellement du propane, une très grande vitesse de transfert du carbone dans les pièces traitées, ce qui entraîne une amélioration des cinétiques de cémentation. La cémentation ionique permet aussi de mieux contrôler l'homogénéité de l'épaisseur de la couche cémentée (Fig. I.1) ce qui se traduit par une meilleure maîtrise des variations dimensionnelles après le traitement thermique de trempe [1]. Dans le domaine des aciers pour moules dont la teneur en carbone est comprise entre 0.07 et 0.35 %, le traitement de cémentation est réalisé à des températures de l'ordre de 850 à 1030 °C. La durée de traitement est fonction de la profondeur recherchée. Pour conserver des caractéristiques de ténacité suffisantes, la teneur superficielle en carbone est limitée à 0.6 – 0.9 %. Une sur- carburation conduirait à la formation d'austénite résiduelle et à une précipitation de carbures sur les joints de grains [33] (Fig. I.2). Couche cémentée Cœur de l'acier Fig. I.1 : Micrographie optique d'un échantillon d'acier cémenté [1]. Fig. I.2: Austénite résiduelle dans une couche cémentée et durcie par trempe. I.2- Nitruration Ce traitement est actuellement celui qui est le plus largement utilisé. Ce procédé consiste à faire diffuser de l'azote à partir de la surface de l'acier pour augmenter sa résistance à l'usure et aux contraintes mécaniques ou thermomécaniques [1]. Il se forme en général en surface une couche de nitrures ou de carbonitrures souvent composite, dite couche de combinaison (couche blanche) dont les propriétés tribologiques sont mises à profit dans le domaine de la mise en forme. En dessous de cette couche de combinaison se trouve la couche de diffusion, qui contient de l'azote en solution solide et dont l'effet durcissant est obtenu par la précipitation de très fins nitrures d'éléments d'alliage (Cr, Mo, V,…). La différence essentielle avec la cémentation réside dans le fait que la diffusion d'azote se fait à l'état ferritique, à des températures de l'ordre de 550 °c qui correspond au domaine du revenu après trempe initiale. Il n'y a donc pas de trempe ultérieure avec toutes les incidences que cela comporte au niveau des déformations. Il existe plusieurs variantes de traitements de nitruration. Les plus utilisées industriellement sont la nitruration en phase liquide (bain de sel) et la nitruration ionique (assistée par plasma) [5]. Dans la variante, traitement en phase gazeuse, les bains de sels sont composés par des mélanges de cyanates et de cyanures alcalins, et l'élément actif est le cyanate qui se transforme en carbonate avec formation d'azote naissant. Les températures utilisées sont voisines de 570 °c avec des temps de maintien n'excédant pas une dizaine d'heures. Dans ces conditions, des couches de combinaisons constituées de nitrures Fe4N et Fe2-3N se forment avec présence d'oxydes superficiels liés au brasage des bains par l'air [6]. La nitruration ionique est une autre technique du traitement. Elle consiste à opérer en phase gazeuse sous pression réduite et à activer l'atmosphère par un plasma établi entre l'enceinte et la pièce à traiter sous une tension inférieure à 1000 V. Les espèces dissociées ou excitées par le plasma réagissent à la surface des pièces et provoque la nitruration. L'intérêt principal de ce traitement est que l'atmosphère gazeuse réactive peut être choisie indépendamment des conditions de travail, ce qui rend possible la réalisation de couches de combinaison monophasées avec un réglage du potentiel azote et du potentiel carbone de l'atmosphère en fonction de la teneur en carbone de l'acier. Les températures utilisées varient entre 400 et 580 °c avec des temps de maintien de 30 minutes au minimum et de 70 heures au maximum. Les atmosphères utilisées sont adaptées à la composition chimique de la nuance et il est possible de réaliser l'une des configurations suivantes :  Couche de diffusion seule dans le cas des aciers fragiles ; Couche de diffusion + couche de combinaison dans les cas les plus usuels ; Couche de diffusion + couche de combinaison dans le cas où l'on cherche une très grande résistance à l'usure (Fig. I.2). Dans le domaine des aciers à outils relativement chargés en éléments d'alliage tels que le chrome, le molybdène et le vanadium. La diffusion d'azote va entraîner la formation de nitrures submacroscopiques et va se traduire par l'obtention de duretés élevées avec des niveaux de contraintes résiduelles importants. Par contre, la précipitation de nitrures tend à réduire l'épaisseur de la couche de diffusion. Couche de combinaison Couche de diffusion Fig. I.3: Micrographie optique d'un échantillon d'acier nitruré [26]. Pour éviter l'abaissement des caractéristiques mécaniques du substrat, il faut adopter une température de nitruration inférieure d'au moins 30°c à celle du revenu précédent [7]. Une meilleure résistance à la fatigue thermique et à la fatigue mécanique sera assurée par des duretés superficielles très élevées (sup. à 1000 Hv) [2] et des épaisseurs de couches nitrures relativement faibles (inf à100 µm); par contre une bonne résistance à l'usure à chaud et au fluage sera obtenue par des épaisseurs de couches importantes (300 à 40 µm). Il y a donc, des liaisons importantes qui existent entre les caractéristiques de la couche de diffusion d'azote, l'état de surface de la couche de combinaison et les performances en fatigue thermique. I.3-Carbonitruration Pour cette opération, les pièces sont chauffées pendant 2 à 10 h jusqu'à 850 ou 860 °c dans un milieu gazeux composé de gaz carburant et d'ammoniac [1]. Il est établi que la diffusion simultanée du carbone et de l'azote accélère la diffusion du carbone. La vitesse de la progression des couches carbonitrurée uploads/Sante/ memoire 11 .pdf