La nitruration est un traitement thermochimique à basse température utilisé pour améliorer la dureté superficielle, la résistance à l'usure et la résistance à la fatigue des composants en acier. Grâce à sa basse température de traitement, elle garantit une excellente stabilité dimensionnelle, ce qui la rend essentielle pour les pièces de précision telles que les broches de machines-outils, les vilebrequins et les filières d'extrusion, où une grande durabilité et une déformation minimale sont requises.
Qu'est-ce que la nitruration ?
La nitruration est un procédé de traitement thermique chimique dans lequel des atomes d'azote sont infiltrés dans la couche superficielle d'une pièce à une certaine température.
Après nitruration, les pièces en acier forment une couche superficielle composée de nitrures, présentant une dureté très élevée (1000–1100 HV) qui se maintient même à 600–650 °C, assurant ainsi une excellente résistance à l'usure et une dureté à chaud remarquable. La nitruration entraîne une augmentation du volume de la couche nitrurée, générant des contraintes de compression en surface qui améliorent significativement la résistance à la fatigue. De plus, la basse température de nitruration minimise la déformation des pièces. La surface nitrurée forme une couche de nitrure dense et très stable chimiquement, offrant une bonne résistance à la corrosion et une excellente stabilité dans l'eau, la vapeur surchauffée et les solutions alcalines.
Les aciers nitrurés comprennent le 35CrAlA et le 38CrMoAlA. Avant la nitruration, les pièces doivent subir une trempe et un revenu afin de stabiliser la microstructure à cœur et d'obtenir de bonnes propriétés mécaniques globales, garantissant ainsi des variations dimensionnelles minimales en service, sans qu'un traitement thermique supplémentaire soit nécessaire après la nitruration.
La nitruration est principalement utilisée pour les pièces mécaniques exigeant une haute résistance à la fatigue, une bonne résistance à l'usure et des dimensions précises, telles que les broches et les manchons des aléseuses et rectifieuses, les engrenages à vis sans fin et les vilebrequins de moteurs diesel. Grâce à ses excellentes propriétés de polissage de surface et à sa certaine résistance à la corrosion, elle est également employée pour les moules en plastique.
Les méthodes de nitruration actuellement utilisées comprennent principalement la nitruration gazeuse et la nitruration plasma.
Nitruration de gaz
La nitruration gazeuse, également appelée nitruration douce gazeuse, est réalisée dans un four à fosse préalablement vidé d'air. La pièce dégraissée et nettoyée est placée dans un four étanche, chauffée, puis de l'ammoniac gazeux est introduit. L'ammoniac se décompose au-dessus de 380 °C pour produire des atomes d'azote actifs selon la réaction suivante :
2NH₃ → 3H₂ + 2[N]
Les atomes d'azote actifs sont absorbés par la surface de l'acier, formant une solution solide et des nitrures (tels que AlN). Au fur et à mesure que la durée de nitruration augmente, les atomes d'azote diffusent progressivement vers l'intérieur, formant ainsi une couche nitrurée d'une certaine profondeur.
Les températures de nitruration courantes se situent entre 550 et 570 °C, et la durée du traitement dépend de l'épaisseur de couche souhaitée. Généralement, l'épaisseur de la couche nitrurée est de 0.4 à 0.6 mm, ce qui nécessite 40 à 70 heures. Le cycle de production par nitruration gazeuse est donc relativement long.
Le procédé de nitruration gazeuse comprend quatre étapes : préparation avant nitruration, mise sous vide et chauffage, maintien en nitruration et refroidissement. Pour une nitruration optimale, les pièces doivent être dégraissées à l’essence ou à l’alcool avant leur chargement. La surface nettoyée doit être exempte de rouille et de contaminants. Pour les zones ne nécessitant pas de nitruration, des mesures anti-nitruration telles que l’étamage, le cuivrage ou l’application d’un revêtement peuvent être utilisées. Il convient d’éviter les pièces nitrurées, car les arêtes vives ont tendance à former des couches plus profondes et plus fragiles. Après nitruration, les pièces doivent être manipulées avec précaution lors de leur retrait afin d’éviter les chocs ; les pièces fines et de précision doivent être suspendues pour refroidir afin d’éviter toute déformation et l’apparition de nouvelles contraintes.
En raison de la faible efficacité de décomposition de l'ammoniac, la nitruration gazeuse est généralement adaptée à la nitruration des aciers contenant des éléments tels que l'aluminium, le chrome et le molybdène. Elle est principalement utilisée pour les pièces de précision exigeant une résistance à l'usure et une précision dimensionnelle élevées, les pièces importantes soumises à des charges alternées et les composants résistants à la chaleur et à l'usure, tels que les broches de machines d'alésage, les engrenages de précision à grande vitesse, les vilebrequins de moteurs diesel à grande vitesse, les soupapes et les moules de fonderie sous pression.
Nitruration au plasma
La nitruration plasma est réalisée en utilisant le phénomène de décharge luminescente entre la pièce (cathode) et l'anode sous un certain niveau de vide, d'où son autre nom de nitruration plasma à décharge luminescente.
Crédit image: ScienceDirect
La pièce métallique est placée comme cathode dans une enceinte à pression négative contenant un milieu azoté. Sous l'effet de la tension, les atomes d'azote du milieu s'ionisent, formant un plasma entre la cathode et l'anode. Sous l'effet du champ électrique intense du plasma, des ions positifs d'azote et d'hydrogène bombardent la surface de la pièce à grande vitesse. Ce bombardement ionique provoque une pulvérisation atomique de la surface, la purifiant, tandis que l'azote s'infiltre par adsorption et diffusion.
Comparée à la nitruration gazeuse classique, la nitruration plasma offre les avantages suivants :
- Cycle de nitruration raccourci de manière appropriée.
- Fragilité réduite dans la couche nitrurée.
- Économies d'énergie et de consommation d'ammoniac.
- Capacité à protéger les zones ne nécessitant pas de nitruration pour un traitement localisé.
- La purification de surface par bombardement ionique élimine les films passifs, permettant la nitruration directe des aciers inoxydables et réfractaires.
- Épaisseur et microstructure de la couche nitrurée contrôlables.
Les inconvénients comprennent un investissement important en équipement, une répartition inégale de la température et des exigences opérationnelles strictes.
La nitruration plasma convient aux pièces à faible charge et à grande vitesse nécessitant une résistance à l'usure et à la corrosion, ainsi qu'aux composants de type tige mince de haute précision, tels que les broches de machines à aléser, les vis-mères de machines-outils de précision, les tiges de soupape et les soupapes.
Aciers pour nitruration
Pour obtenir une couche nitrurée de haute dureté et résistante à l'usure sur la surface de l'acier, il est nécessaire d'utiliser des aciers alliés contenant des éléments d'alliage spécifiques. En effet, les nitrures formés avec certains éléments d'alliage sont beaucoup plus stables que les nitrures de fer et se répartissent de manière homogène dans la couche nitrurée, ce qui confère à cette dernière une dureté très élevée.
Les éléments d'alliage courants comprennent l'aluminium (Al), le chrome (Cr), le vanadium (V), le molybdène (Mo), le manganèse (Mn) et le tungstène (W). Les aciers nitrurés les plus utilisés sont le 38CrMoAl et le 35CrAl, qui offrent une dureté superficielle et une résistance à l'usure très élevées après nitruration. Parmi les aciers destinés à améliorer la résistance à la fatigue, on trouve le 38CrA, le 40CrNiMoA et le 18Cr2Ni4WA ; les aciers inoxydables comprennent le 45Cr14Ni14W2Mo et le Cr10Si2Mn ; les aciers à outils comprennent le 3Cr2W8V ; et les aciers à ressorts comprennent le 50CrVA.
Traitement thermique préparatoire à la nitruration
Le processus de traitement typique des pièces nitrurées est le suivant : forgeage → recuit (ou normalisation + revenu à haute température) → ébauche → trempe et revenu → semi-finition → relaxation des contraintes → finition → nitruration → rectification ou polissage final.
Comme on peut le constater sur le schéma, les traitements thermiques préparatoires avant la nitruration comprennent le recuit (ou la normalisation + le revenu à haute température), la trempe et le revenu, et la relaxation des contraintes.
Ces étapes préparent les pièces à la nitruration, car elles ne subissent généralement plus d'usinage après nitruration.
Le recuit et la normalisation affinent la microstructure, améliorent l'usinabilité, éliminent les contraintes internes et préparent à la trempe et au revenu.
Trempe et trempe
La trempe et le revenu constituent un traitement thermique préparatoire essentiel visant à obtenir une microstructure de sorbite uniforme et fine. Ce traitement garantit non seulement de bonnes propriétés mécaniques globales au cœur du matériau, mais assure également la préparation microstructurale nécessaire à la nitruration.
Les paramètres de trempe et de revenu influent considérablement sur la qualité de la nitruration. Pour l'acier 38CrMoAlA, les points critiques sont plus élevés : Ac1 = 790 °C, Ac3 = 900 °C, Ar1 = 740 °C. De plus, l'aluminium stabilise la ferrite, réduisant sa solubilité dans l'austénite lors du chauffage. Par conséquent, les températures de normalisation et de trempe doivent être élevées, avec des temps de maintien environ 1.5 fois plus longs que pour les aciers de construction alliés classiques.
Si la température de trempe est trop basse ou le temps de maintien insuffisant, la ferrite se dissout incomplètement dans l'austénite. La présence de ferrite libre en surface lors de la nitruration accroît alors considérablement la fragilité de la couche. À l'inverse, une température de trempe excessivement élevée provoque un grossissement des grains d'austénite, ce qui favorise l'extension des nitrures le long des joints de grains et engendre des structures ondulées ou réticulées prononcées dans la couche nitrurée.
Trempe La température influence fortement la qualité de la nitruration. Elle détermine la dureté après trempe et revenu : une température de revenu plus élevée diminue la dureté, réduit la dispersion des carbures dans la matrice, facilite l’infiltration d’azote pendant la nitruration, augmente la vitesse de pénétration et approfondit la couche. À mesure que la température de revenu augmente, la dureté de la couche nitrurée diminue, avec une légère réduction de la dureté à cœur.
Pour les pièces de forme complexe, un recuit de détente est nécessaire afin d'éliminer les contraintes induites par l'usinage et de réduire les déformations lors de la nitruration. Pour éviter une diminution de la dureté après trempe et revenu, la température de détente doit être de 40 à 70 °C inférieure à la température de revenu, avec un temps de maintien prolongé et un refroidissement lent en dessous de 150 °C avant retrait.
Tableau 1 : Procédés de traitement thermique préliminaires pour la nitruration gazeuse
| Source | Procédé de traitement thermique préliminaire |
| Pièces d'acier de construction générales / Pièces avec de faibles exigences de résistance aux chocs | Trempe et revenu (T&R). La température de revenu à haute température doit être de 20 à 40 °C supérieure à la température de nitruration ; le temps de maintien ne doit pas être excessif. |
| Acier 38CrMoAl | La normalisation est possible, mais le refroidissement doit être rapide. Elle est proscrite pour les pièces de grande section. Un traitement thermique (trempe et revenu) est indispensable ; à défaut, les nitrures aciculaires risquent de ne pas se former correctement dans la couche nitrurée. Pour les aciers à outils, la trempe et le revenu sont généralement effectués avant la nitruration ; le recuit est proscrit. |
| Pièces minces, à parois fines, complexes et de précision | Un ou plusieurs traitements de relaxation des contraintes sont nécessaires avant la nitruration. La température de relaxation des contraintes est généralement inférieure à la température de revenu, mais supérieure à la température de nitruration. |
Comment Getzshape peut vous aider
Getzshape propose des services d'usinage CNC sur mesure de haute qualité, de fabrication de tôlerie, d'usinage par électroérosion et bien plus encore. Grâce à des équipements de pointe et à un contrôle qualité rigoureux, nous garantissons précision et respect des délais, des prototypes aux grandes séries. En tant que partenaire de fabrication intégré, nous optimisons l'approvisionnement, l'usinage, la post-production et la logistique.
