Nitruration ou nitrocarburation ferritique des aciers et des fontes
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Revue par A3TS le 29 juillet 2026
PRINCIPE ET DIFFERENTES CONFIGURATIONS
La nitruration est une famille de traitements superficiels comprenant une phase d’enrichissement en azote à la surface d’un acier pour permettre un durcissement par la formation de nitrures. D’autres éléments comme le carbone, l’oxygène ou le soufre peuvent être rajoutés pour modifier les propriétés.
Le traitement s’effectue généralement en phase ferritique à une température inférieure à 590°C suivi d’un refroidissement lent. Mais une variante, non détaillée ici, est réalisée en phase austénitique jusqu’à des températures de 680 à 700°C. La durée du maintien est comprise entre 1 heure et plusieurs jours.
Le traitement de nitruration forme une couche de combinaison (ou couche blanche) composée de nitrures epsilon ε (Fe2N1-x) ou gamma prime ϒ’ (Fe4N) ou d’un mélange des 2, et d’une couche de diffusion où se forment des nitrures finement dispersés qui, selon leur composition, engendrent une forte augmentation de dureté.
La couche de combinaison favorisant le nitrure ε présente des propriétés tribologiques intéressantes. Pour favoriser sa formation, une petite quantité de carbone est rajoutée dans le milieu de nitruration. On parle alors de nitrocarburation.
De l’oxygène peut être introduit pendant le traitement ou après traitement pour former une couche d’oxyde de fer (Fe3O4) favorisant la tenue à la corrosion. Ce traitement est appelé Oxynitruration ou Oxynitrocarburation. Si la couche est usée par abrasion, la protection vis-à-vis de la corrosion est celle d’une nitruration classique.
Du soufre peut être introduit dans le milieu de nitruration pour améliorer les propriétés de frottement par une augmentation de la capacité d’accommodation des surfaces. Ce traitement est appelé Sulfonitruration ou Sulfonitrocarburation.
Lorsque dans le milieu nitrurant, outre l’azote, du carbone, de l’oxygène et du soufre sont rajoutés, le traitement est appelé Oxysulfonitrocarburation. Ce traitement améliore à la fois les propriétés de frottement et la tenue à la corrosion en modifiant la composition et la morphologie de la couche de combinaison.
Le durcissement de la couche de diffusion dépend de la présence dans l’alliage d’éléments d’addition tels que le chrome, l’aluminium, le molybdène ou le vanadium. La dureté de la couche de diffusion d’un acier non allié ne dépasse pas 350HV. Un prétraitement de trempe et de revenu est favorable car la disponibilité des éléments d’addition est favorisée par la présence de carbures de taille beaucoup faible qu’après recuit.
CARACTERISTIQUES HABITUELLES DU TRAITEMENT
La dureté de la couche de combinaison est de l’ordre de 1000HV ;
L’épaisseur de la couche de combinaison varie de 0 à 40µm ;
La dureté de la couche de diffusion varie de 350HV à plus de 1500HV si des éléments d’addition tels que le chrome, l’aluminium, le molybdène et le vanadium sont présents.
Les contraintes résiduelles en surface sont en compression de l’ordre de -500MPa ce qui augmente la résistance à la fatigue mécanique ;
La profondeur de traitement visée est comprise entre 0,03 et 0,5mm dans les cas courants. Dans certaines applications extrêmes des profondeurs jusqu’à 1 mm sont visées. La profondeur conventionnelle de nitruration NHD est contrôlée selon la norme NF EN ISO 18203 ;
La résistance à la fatigue superficielle est augmentée car la zone superficielle sollicitée présente une limite d’élasticité élevée. La profondeur de traitement doit être suffisante pour couvrir la zone sollicitée ;
La tenue à la corrosion est améliorée par la formation d’une couche superficielle d’oxyde de fer et par une imprégnation après traitement de résine, de cire ou d’huile.
Les propriétés de frottement sont principalement améliorées par la formation de la couche de combinaison ;
Les déformations après traitement sont très faibles car la température de nitruration est choisie pour être inférieure de 50°C à la température de revenu. On note cependant une légère expansion volumique de quelques microns liée à l’introduction de l’azote ;
Dans certains cas, des épargnes sont possibles (plus aisé en nitruration ionique par masquage) et permettent des traitements localisés.
Les matériaux traités
Les aciers au carbone ou les fontes. La dureté n’est présente qu’au niveau de la couche de combinaison (800 à 1000HV).
Les aciers de construction comme l’acier 42CrMo4 ou l’acier prétraité à 1100MPa 40CrMnMo8. La dureté superficielle est de l’ordre de 600 à 800HV.
Les aciers à grande affinité avec l’azote comme l’acier 33CrMoV13 ou l’acier 41CrAlMo7-10. La dureté superficielle peut atteindre des valeurs supérieures à 1000HV.
Les aciers d’outillages comme l’acier X37CrMoV5-1 utilisé pour réaliser des matrices et des poinçons de forgeage à chaud ou des empreintes de moule d’injection plastique. La dureté peut dépasser 1200HV.
Les aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques pour améliorer les propriétés de frottement à chaud. La dureté superficielle dépasse 1000HV. Il est à noter que la nitruration de ces aciers réalisée dans les conditions classique dégrade la tenue à la corrosion. Les aciers inoxydables austénitiques ou austéno-ferritiques traités selon les procédés particuliers dits de phase S qui forment une austénite expansée permettent le durcissement superficiel sans dégradation de la tenue à la corrosion.
BENEFICES
L’augmentation de la résistance à l’usure
L’amélioration de la résistance à la fatigue
L’amélioration des propriétés tribologiques des couches de combinaison (inhibitrice de grippage, faible coefficient de frottement)
L’amélioration de la tenue à la corrosion dans le cas de l’oxynitruration ou de l’oxynitrocarburation
Les variations géométriques sont très faibles, l’emploi de pièces sans reprise après traitement est envisageable sous réserve d’effectuer les nitrurations sur un état préalablement stabilisé.
Les APPLICATIONS
Pièces d’outillage pour limiter le frottement et résister à l’abrasion (moules, empreintes, matrices…)
Pièces mécaniques de série (axes, arbres, tiges, pistons, pignons, vilebrequin…) pour la résistance à l’usure
Pièces devant résister à la corrosion dans l’humidité ambiante ou en milieu lubrifié (tiges de vérins)
Pièces supportant une atmosphère corrosive pendant une courte durée (stockage).
Pièces de transmissions (pignons, roues dentées).
Disques de freins pour limiter les particules d’usure par abrasion.
Les LIMITATIONS
La couche de combinaison présente dans certaines applications des risques de fragilité nécessitant son élimination par rectification à la meule ou polissage.
Un flux d’azote trop important repousse le carbone aux joints des grains. Des cheveux d’anges (carbures ou carbonitrures) fragilisants peuvent ainsi apparaitre dans la couche de diffusion. Ils sont rédhibitoires pour certaines applications.
La tenue au choc des couches nitrurées est souvent dégradée.
La profondeur de traitement de traitement réduite limite l’emploi de la nitruration lorsque les pressions de contact sont très importantes.
PARAMETRES DU PROCEDE
La température de traitement varie de 350°C à 590°C avec une durée du maintien comprise entre 1 heure et plusieurs jours en fonction du but recherché.
Les TECHNOLOGIES de mise en œuvre
Nitruration, nitrocarburation gazeuses : l’atmosphère de traitement établie entre 350 et 590°C après une phase de chauffage sous azote, est constituée d’ammoniac (NH3), d’un mélange ammoniac-azote auquel peuvent être ajoutés différents gaz : activateur comme le protoxyde d’azote (N2O) dioxyde de carbone (CO2), air (on peut parler d’oxynitruration) ou carburant : gaz carbonique (CO), gaz endothermique ou gaz exothermique dans le cas de nitrocarburation. Les procédés industriels actuels sont pilotés et régulés. Il existe des versions sous pression réduite de ces procédés mises en œuvre dans des fours à purge sous vide sous pression de 200 à 300 mbar. Les rejets gazeux riches en ammoniac doivent être brûlés avant leur rejet dans l’atmosphère extérieure.
Nitrocarburation en bain de sels : emploi de sels à base de chlorures et cyanates alcalins activés par apport d’air et additifs (propres aux développeurs des procédés) entre 550 et 590°C (idéalement 570-580°C). Ils ne sont pas destinés à obtenir les couches de diffusion profondes. Leurs cinétiques sont très rapides. Les inconvénients sont liés à l’emploi de sels fondus (récupération des rejets et nettoyage des pièces traitées).
Nitruration, nitrocarburation assistées plasma : (souvent connues sous le nom de nitruration ionique): la réaction est établie sous un plasma azote – hydrogène dans un réacteur à purge sous vide équipé d’un générateur d’arc à haute fréquence (polarisation opposée des pièces et des parois du four). Les molécules ionisées produisent par collision des molécules activées qui améliorent la cinétique de réaction. Les avantages sont le large spectre de température possible allant surtout vers les plus basses températures et la modularité des résultats (présence et nature de la couche de combinaison), l’épargne facile par cache métallique. Les cinétiques sont rapides pour les profondeurs les plus faibles. La préparation des charges est plus délicate et moins adaptée aux productions de masse que les autres procédés.
Parachèvements oxydants : tous les procédés fabriquant une couche de combinaison peuvent recevoir une phase d’oxydation en fin de cycle de nitruration par maintien dans un milieu oxydant à une température voisine de 450°C développant une fine couche de conversion des nitrures en oxydes noirs Fe3O4. Cette couche contribue à une amélioration de la tenue à la corrosion qui peut atteindre 450 à 600 heures au brouillard salin sur des couches exemptes de microporosités. L’effet néfaste de la présence de ces microporosités peut être annulé par imprégnation des surfaces à l’aide de produits organiques polymérisant à froid. Dans les procédés gazeux l’oxydation s’effectue par apport d’un gaz oxydant (N2O, vapeur d’eau, air), dans les procédés en bain de sels l’oxydation s’effectue par maintien séquencé dans un bain de sels oxydant (à base de nitrates).
Les couches nitrurées après élimination de la couche blanche peuvent servir de renforcement en sous-couche de revêtements par des couches minces type PVD et PACVD (traitement duplex).
