Carbonitruration
N.B : Ce document est le reflet de l’expérience industrielle. Elles sont fournies sans aucune garantie, expresse ou tacite, de leur exactitude.
Revue par A3TS le 29 juillet 2026
Principe
Le traitement de carbonitruration consiste en un 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 64 HRC) selon un gradient décroissant sur une profondeur donnée.
Les profondeurs réalisables sont comprises entre 0,05 et 1 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 CHD selon la norme NF EN ISO 18203.
Exigences de microstructure
Taux de contraintes résiduelles
Les exigences métallographiques sont une composante importante dans la tenue en service, elles se rapportent à la présence éventuelle de défauts (type oxydation interne) en l’absence de rectification et au taux d’austénite résiduelle qui peut avoir un effet sur la tenue en fatigue, sur la tenue aux chocs et la stabilité dimensionnelle dans le temps.
Bénéfices
Résistance à l’usure
Renforcement de la résistance à la fatigue mécanique et de surface
Aciers de carbonitruration
Le traitement de carbonitruration est applicable aux aciers de cémentation, aux aciers du type 27MnCr5 ou 25CrMo4 et aux aciers de construction comme le 34CrMo4 et 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.
Le choix de la profondeur est déterminé par les besoins :
Pour la résistance à la fatigue selon la répartition des efforts : localisation des contraintes de cisaillement dans le cas des pièces sollicitées en fatigue de surface (cames, dents d’engrenage), importance de la concentration de contraintes.
Pour la résistance à l’usure : selon le taux d’usure fonctionnel tolérable.
Procédés
Le traitement de carbonitruration est ultra majoritairement réalisé par voie gazeuse. Le procédé basse de développe de manière marginale.
Un traitement cryogénique peut intervenir après traitement, précisément pour transformer l’austénite. Il doit être impérativement suivi d’un revenu de détente.
Un grenaillage de précontrainte peut transformer l’austénite résiduelle présente en surface en martensite très fine et peu fragile. Les contraintes de compression et la tenue en fatigue superficielle sont augmentées.
La trempe s’effectue à l’huile, dans un mélange d’eau et de polymères ou sous gaz surpressé (jusqu’à 20 bars). Un revenu de détente est généralement pratiqué après trempe pour limiter les risques de fragilité.
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.
Applications
Les applications les plus importantes se situent dans le domaine des pièces mécaniques de l’industrie automobile :
Roues dentées, pignons et arbres de transmissions automobiles
Pièces de fixation
Pièces mécaniques d’usage générale résistante à l’abrasion
Ce traitement s’applique 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).
Les limitations
Une oxydation interne apparaissant après carbonitruration gazeuse diminue la résistance à la fatigue mécanique. Une retouche par rectification ou usinage est alors nécessaire pour optimiser les propriétés. Cette oxydation interne ne se forme pas lors de traitements de carbonitruration basse pression ;
Les déformations et le grossissement du grain après traitement sont moins importants qu’après cémentation car les maintiens à température élevés sont plus courts ;
La teneur en austénite résiduelle après trempe est plus importante qu’après cémentation (entre 15 et 50%). La stabilité de l’austénite est améliorée grâce à l’ajout d’azote, mais elle peut cependant en partie se retransformer sous l’action d’une montée à température au-delà de 200°C, d’une déformation plastique ou d’un maintien à température négative.
Paramètres du procédé
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 ou dans un mélange d’eau et de polymères ou sous gaz surpressé (jusqu’à 20 bars. 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).
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.