DEFINITION DU TRAITEMENT
Principe : enrichissement superficiel en carbone (entre 0,7 et 0,9% en masse) et azote (entre 0,15 et 0,3% en masse) par diffusion dans le domaine austénitique (825 à 900°C) suivi d’une trempe et d’un éventuel revenu, afin d’obtenir une dureté superficielle élevée (58 à 62 HRC) selon un gradient décroissant sur une profondeur donnée.
Les profondeurs réalisables sont comprises entre 0,05 et 0,6 mm, au delà de 0,6mm l’apport d’azote n’a plus d’intérêt.
CARACTÉRISATION :
- Teneurs en carbone et azote superficielles
- Dureté superficielle (HRC, HRA, HV)
- Profondeur conventionnelle de couche dure Ec ou Dc (sauf spécification particulière NFA04-204)
- Exigences de microstructure
- Taux de contraintes résiduelles
APPLICATIONS :
- Usure
- Renforcement à la fatigue
DIFFÉRENTS PROCÉDÉS :
- Liquide ou en bains de sels souvent appelé cyanuration : emploi de sels à base de chlorures alcalins (NaCl, KCl) additionnés d’une quantité de cyanures élevée (NaCN), environ 20%. La cinétique est rapide, le contrôle du taux de cyanure permet de maîtriser le potentiel carbone et azote. La trempe est faite directement à l’huile ou aux sels (après « rinçage » dans des sels neutres)
- Sous atmosphère contrôlée ou gazeuse: l’atmosphère est du type endothermique obtenue :
– Par craquage d’un alcane dans un générateur avec addition de méthane ou propane pour maintenir le potentiel carbone,
– Par injection d’un mélange méthanol – azote directement dans le four avec addition de méthane ou propane pour maintenir le potentiel carbone,
L’azote est apporté par injection de gaz ammoniac directement dans le four. La composition type de l’atmosphère est 20 à 25% CO, 20 à 40% N2, 40 à 55% H2 (CO2, O2, H2O traces). Le taux d’ammoniac injecté est de l’ordre de 1 à 5% du volume total de gaz (les plus faibles valeurs conviennent aux aciers alliés). Le potentiel carbone de l’atmosphère est mesuré et piloté par des analyses des gaz %CO, CO2, H2O, O2). La cinétique est assez rapide grâce à l’optimisation du cycle.
La trempe est faite directement le plus souvent à l’huile. L’azote mis en solution dans la couche carbonitrurée augmente fortement la trempabilité ce qui permet des trempes douces à l’huile chaude (80 à 160°C ou au bain de sel 150 à 180¨C) limitant ainsi les déformations (jusqu’à 950°C). L’application la plus importante est celle des engrenages de boîte de vitesses d’automobiles.
Dans le cas d’une trempe au gaz, il est possible de moduler la vitesse de refroidissement pour se rapprocher des conditions de refroidissement étagé. - En lit fluidisé : la fluidisation est faite par un gaz équivalent aux atmosphères gazeuses. La cinétique est rapide mais l’emploi n’est pas très aisé.
- Sous basse pression : après chauffage dans un four sous vide, on établit une pression séquentielle de l’ordre de 5 à 20mbar par injection d’un hydrocarbure, propane, éthylène ou acétylène, les séquences de carburation sont suivies de séquences de diffusion sous vide. Des séquences d’apport d’ammoniac sont combinées avec celles de l’apport de gaz carburant.La cinétique est très rapide. Le procédé autorise des températures de cémentation élevées accélérant la cinétique. Les avantages principaux sont l’absence d’oxydation superficielle et une bonne pénétration dans les fins orifices. Ce procédé est souvent associé à une trempe gaz. (5 à 20 bar d’azote). Le pilotage repose sur un modèle de réaction gaz métal supposant une saturation en carbone de la surface durant les phases de carburation et diffusion.Ce procédé est en développement.Dans le cas d’une trempe au gaz, il est possible de moduler la vitesse de refroidissement pour se rapprocher des conditions de refroidissement étagé.
APPLICATIONS DE LA CARBONITRURATION
La carbonitruration s’applique à tous les cas de renforcement à l’usure et à la fatigue de pièces de faibles et moyennes dimensions susceptibles d’être renforcées sur des profondeurs de l’ordre de 0,1 à 0,6 mm.
Les applications les plus importantes se situent dans le domaine des pièces mécaniques de l’industrie automobile :
- Engrenages, crabots, moyeux de synchro de boîte de vitesse
- Pièces de liaison au sol : croisillons de cardan, arbres de transmission …
- Eléments d’articulation de sièges réalisés en tôle découpée ou semi-découpée
- Eléments de commande de lèves vitres
- Disques et boîtiers d’embrayage
- Axes et leviers divers.
- Coupelles de suspension
Des applications sont également présentes dans différentes autres applications mécaniques, à chaque fois qu’une résistance à l’usure est recherchée, comme dans les composants de systèmes hydrauliques (tiroirs de distributeurs, pointeaux et sièges de clapets) dans les machines outils, dans les machines textiles, anses de cadenas, etc.
Les aciers sont choisis en fonction des dimensions de la pièce traitée afin de tenir compte de la trempabilité et des besoins de résistance en sous-couche et à cœur.
La présence cumulée de carbone et d’azote permet d’obtenir des contraintes de compression supérieures à celles de la cémentation à profondeur durcie identique.
Ce traitement s’appliquent particulièrement bien au durcissement de pièces découpées réalisées à partir de tôle en acier bas carbone, le plus souvent sur des nuances n’ayant pas été élaborées pour cette application. Il convient alors de s’assurer de l’aptitude de ces nuances au traitement (il s’agit notamment de surveiller la taille de grain et le taux d’aluminium de calmage résiduel).
Mise en œuvre
Equipement principal (four, réacteur, ligne, machine…)
- www.bodycote.com – sales.france@bodycote.com
- www.ecmtech.fr – a.rallo@ecmtech.fr
- www.groupe-thermi-lyon.com
- www.hef.fr
- www.hacer.fr – choffmann@hacer.fr
Equipements complémentaires (lavage, dégraissage, décapage, parachèvement, manutention)
Equipements annexes (pompes, turbines, résistances, brûleurs, bacs de trempe, filtres, échangeurs, réfractaires…)
Contrôle et pilotage du process ( pyrométrie, analyseurs d’atmosphère et sondes, automates, régulateurs, enregistreurs…)
Energie et fluides ( gaz, produits chimiques, liquides de trempe, sels…)
Outillages et manutention (montages, paniers, plateaux…)
Contrôle du résultat (essai de dureté, essais mécanique, métallographie, CND, mesure d’épaisseur…)
Matériaux d’application (aciers, fontes, alliages de titane, alliages d’aluminium…)
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