Cémentation vs nitruration vs carbonitruration

Dans le domaine du traitement thermique des métaux, les techniques de traitement de surface jouent un rôle crucial dans l'amélioration des performances des composants. La cémentation, la nitruration et la cémentation-nitruration sont trois procédés de traitement thermique chimique clés, largement utilisés dans des secteurs tels que la construction mécanique, l'automobile et l'aérospatiale. En modifiant la composition chimique et la microstructure des surfaces métalliques, ces techniques confèrent aux composants des caractéristiques de performance distinctes, permettant ainsi de répondre à diverses exigences opérationnelles. Une compréhension approfondie des différences entre ces trois procédés permet aux fabricants de faire des choix éclairés en production, et d'optimiser ainsi les performances des composants, d'améliorer la qualité des produits et de réduire les coûts de fabrication.

⇒Différences dans les principes de processus

♦ Cémentation

La cémentation est un procédé qui consiste à immerger des pièces dans un milieu de cémentation et à les chauffer à haute température (généralement entre 900 et 950 °C) afin de permettre la diffusion des atomes de carbone vers la surface et la formation d'une couche riche en carbone. Différentes méthodes existent : la cémentation gazeuse (utilisant des liquides organiques comme le méthanol ou l'acétone qui se décomposent en gaz carbonés lors de leur injection), la cémentation liquide (cémentation en bain de sels salins utilisant des mélanges de sels carbonés) et la cémentation solide (enrobage des pièces dans des poudres solides carbonées). Au cours de ce procédé, les atomes de carbone diffusent d'abord du milieu concentré vers la surface, puis pénètrent progressivement dans les couches plus profondes, créant ainsi une couche riche en carbone présentant des gradients de profondeur et de concentration spécifiques à la surface de la pièce.

(1) Cémentation : Les atomes de carbone actif [C] pénètrent dans la couche superficielle de l'acier.

(2) Objectif: Pour augmenter la teneur en carbone en surface, avec une surface dure et un noyau résistant après trempe et revenu à basse température

(3) Méthodes de cémentation : carburation gazeuse, solide et liquide

(4) Nuances d'acier appropriées :faible-acier au carbone et les aciers alliés à faible teneur en carbone, tels que 20, 20Cr, 20CrMnTi, etc.

(5) Processus: 900-950 °C, 1 heure, 0,5 mm ; 4 heures, 1 mm. Épaisseur de la couche cémentée : 0,5 à 2,5 mm de la surface jusqu'à mi-hauteur de la couche de transition.

(6) Traitement thermique : Trempe (directe, simple et double) + revenu à basse température

(7) Organisation et performance :

• Couche superficielle : carbures M+ trempés à haute teneur en carbone +A
• Noyau : M ou F trempé à faible teneur en carbone, T
• Performances : Dureté superficielle élevée, de 58 à 64 HRC ; bonne résistance à l'usure ; le noyau présente une bonne ténacité, une faible dureté et une résistance à la fatigue élevée : contrainte de compression superficielle

♦Nitruration

La nitruration, également appelée durcissement à l'azote, est un procédé au cours duquel des atomes d'azote diffusent à la surface des pièces à usiner à des températures spécifiques (généralement entre 500 et 560 °C) pour former des composés nitrurés. Parmi les méthodes courantes, on trouve la nitruration gazeuse (utilisant de l'ammoniac comme source d'azote, qui libère des atomes d'azote réactifs à haute température) et la nitruration ionique (utilisant des ions générés par décharge luminescente pour bombarder la surface et accélérer la diffusion de l'azote). Les atomes d'azote réagissent chimiquement avec les éléments métalliques de surface (tels que le fer, l'aluminium et le chrome) pour former des couches de nitrure dures, résistantes à l'usure et très résistantes à la corrosion, notamment Fe₃N, Fe₄N et CrN.

(1) Nitruration : À une certaine température, les atomes d'azote actifs [N] sont amenés à pénétrer la surface de la pièce.

(2) Objectif: Pour améliorer la dureté superficielle, la résistance à l'usure, la résistance à la fatigue, la dureté thermique et la résistance à la corrosion, etc.

(3) Processus: Nitruration gazeuse 2NH →3H+2[N] au-dessus de 200℃

(4) Caractéristiques: La température de nitruration est inférieure de 500 à 600 °C.

La durée du traitement est de 20 à 50 heures, l'épaisseur de 0,3 à 0,5 mm et le catalyseur (benzène, aniline, chloramine, etc.) est dosé à 10,3 à 3 fois. Avant la nitruration, les pièces en acier doivent être trempées et revenues.

(5) Organisation

• La couche superficielle est de phase blanche ε(FeN) ou y'(FeN).
• Au centre se trouve un eutectoïde noir foncé contenant de l'azote (aty ')
• La partie centrale est tempérée S

♦ Carbonitruration 

La co-infiltration carbone-azote, un procédé de traitement thermique chimique où le carbone et l'azote diffusent simultanément dans la même couche d'infiltration (communément appelée cyanuration), se divise en trois catégories selon la température : la co-infiltration carbone-azote à basse température (500-600 °C, également appelée nitruration douce), la co-infiltration carbone-azote à moyenne température (700-850 °C) et la co-infiltration carbone-azote à haute température (900-950 °C, similaire à la cémentation). Prenons l'exemple de la co-infiltration carbone-azote en phase gazeuse : ce procédé utilise généralement des mélanges gazeux de carbone et d'azote (tels que l'ammoniac, le kérosène ou le méthanol) comme milieu. À haute température, les atomes de carbone et d'azote diffusent simultanément vers la surface de la pièce, formant une couche d'infiltration composite contenant à la fois des carbures et des nitrures.

⇒ Comparaison de plusieurs traitements thermiques de surface et traitements thermiques chimiques

⇒ Différences de température et de durée de traitement

♦ Cémentation

La cémentation est généralement réalisée à des températures élevées, comprises entre 900 °C et 950 °C. Ces températures élevées favorisent la diffusion du carbone, permettant la formation rapide d'une couche cémentée épaisse. Cependant, la chaleur intense provoque également une croissance des grains dans les composants, ce qui réduit la ténacité du matériau. La durée du traitement dépend des dimensions de la pièce, de l'épaisseur de couche cémentée souhaitée et du type de milieu utilisé ; elle peut souvent atteindre plusieurs heures, voire plusieurs dizaines d'heures. Par exemple, les pièces nécessitant une couche cémentée de 0,8 à 1,2 mm dans des fours de cémentation à gaz peuvent nécessiter un traitement de 8 à 12 heures.

♦Nitruration 

La nitruration est généralement réalisée à des températures relativement basses (500-560 °C). Cette chaleur modérée empêche la surchauffe et la croissance des grains pendant le traitement, garantissant ainsi une microstructure et des performances stables au cœur de la pièce. Cependant, la nitruration est un procédé lent qui nécessite des temps de traitement prolongés, généralement de plusieurs dizaines à plusieurs centaines d'heures. Pour les composants exigeant une dureté superficielle et une résistance à l'usure élevées, la nitruration gazeuse peut nécessiter entre 70 et 100 heures pour obtenir des résultats optimaux.

♦ Carbonitruration 

Le procédé de co-enrichissement carbone-azote à basse température (500-600 °C) dure de 1 à 3 heures et permet la formation rapide d'une couche de revêtement durcie, résistante à l'usure et antiadhésive sur la surface de la pièce. Le procédé de co-enrichissement carbone-azote à moyenne température atteint 700-850 °C, avec des durées de traitement généralement comprises entre 2 et 6 heures selon les spécifications du composant. Le procédé de co-enrichissement carbone-azote à haute température, bien que présentant des températures et des durées de traitement similaires à la cémentation, permet la pénétration simultanée du carbone et de l'azote.

⇒ Comparaison des caractéristiques de microstructure et de performance

♦ Cémentation

Les composants cémentés développent une structure martensitique à haute teneur en carbone en surface, leur conférant une dureté exceptionnelle (HV 550-750) et une excellente résistance à l'usure. L'épaisseur de la couche cémentée est adaptée aux exigences opérationnelles, généralement de 0,5 à 2,5 mm. Leur structure interne est composée de martensite à faible teneur en carbone ou d'une combinaison de ferrite et de perlite, assurant une robustesse et une résistance élevées aux chocs importants. Ces composants sont parfaitement adaptés aux applications soumises à des contraintes alternées, au frottement et à l'usure, comme les engrenages et les composants d'arbres.

Carbures dans la couche cémentée des engrenages Niveau : Niveau 2 Structure métallographique : Les carbures sont répartis sous forme de fines granules. Agent corrosif : solution alcoolique d'acide nitrique à 4 %	Carbures dans la couche cémentée des engrenages Niveau : Niveau 8 Structure métallographique : Les carbures forment un réseau grossier Agent corrosif : solution alcoolique d'acide sulfurique à 4 %	Martensite et austénite résiduelle dans la couche cémentée des engrenages Niveau : Niveau 2 Agent corrosif : solution alcoolique d'acide nitrique à 4 %

♦Nitruration 

La couche nitrurée est principalement composée de la phase ε (Fe₃N), de la phase γ' (Fe₄N) et de couches composites. Elle présente une dureté et une résistance à l'usure exceptionnelles, avec une dureté superficielle atteignant HV1000-1200. De plus, elle offre une excellente résistance à la corrosion et des propriétés anti-grippage, permettant un fonctionnement en environnements difficiles. La couche nitrurée est relativement mince, généralement de 0,1 à 0,6 mm. Les composants nitrurés sont idéaux pour les applications exigeant une haute précision, une résistance supérieure à l'usure et à la corrosion, telles que les moules et les composants d'arbres de précision.

Matériau : 38CrMoAlA Procédé : nitruration gazeuse après revenu (maintien à 520 °C pendant 20 h, maintien à 560 °C pendant 34 h, refroidissement lent) Méthode d'érosion : érosion par une solution alcoolique d'acide nitrique à 4 %	Matériau : Cr12 Procédé : nitruration gazeuse après trempe et revenu Méthode d'érosion : érosion par une solution alcoolique d'acide nitrique à 4 %	Matériau : QT450-10 Procédé : Nitruration ionique Méthode d'érosion : érosion par une solution alcoolique d'acide nitrique à 4 %

♦ Carbonitruration 

Après un co-enrichissement carbone-azote à basse température, la surface des pièces forme une structure composite contenant des carbures d'azote et des phases ε. Il en résulte une dureté élevée (HV 800-1000), une excellente résistance à l'usure, des propriétés anti-grippage et une résistance modérée à la corrosion. Le co-enrichissement carbone-azote à moyenne température produit des couches d'infiltration plus épaisses, dont la structure contient à la fois des carbures et des nitrures, offrant une dureté et une résistance à l'usure intermédiaires entre la cémentation et la nitruration. Le co-enrichissement carbone-azote à haute température conserve des structures de couches d'infiltration similaires à celles de la cémentation, mais incorpore de l'azote, ce qui améliore considérablement la dureté superficielle et la résistance à l'usure. Ces composants sont idéaux pour les applications exigeant à la fois une dureté et une résistance à l'usure élevées, ainsi qu'une bonne ténacité et des propriétés anti-grippage, comme les axes de piston et les soupapes des moteurs automobiles.

Matériau : 18CrMnTi Nom : Structure co-épitaxiale carbone-ammoniac Procédé de traitement : refroidissement à l’air après co-gravure Structure métallurgique : Agent corrosif : solution à 4 % d’acide nitrique et à 4 % d’alcool acide amer	Matériau : 18Cr2Ni4WA Nom : Structure co-épitaxiale de l'azote de Baicheng Procédé de traitement : trempe isotherme après co-gravure Structure métallurgique : Agent corrosif : solution alcoolique d’acide nitrique à 4 % et d’acide picrique à 4 %.

⇒ Différences dans le domaine d'application

♦ Cémentation

La cémentation est largement utilisée dans l'industrie automobile, où elle améliore la dureté superficielle et la résistance à l'usure de composants tels que les engrenages et les arbres de transmission, prolongeant ainsi leur durée de vie. Dans le secteur des engins de chantier, les pièces cémentées sont employées dans les zones fortement sollicitées et sujettes au frottement, comme les engrenages et les arbres de transmission des excavatrices. Ce procédé est également appliqué à la fabrication de composants pour vélos, motos et autres véhicules de mobilité.

♦ Nitruration

La nitruration est un procédé largement utilisé dans la fabrication de moules, notamment pour les moules en plastique et les matrices de fonderie sous pression. Elle améliore la dureté superficielle, la résistance à l'usure et à la corrosion tout en réduisant l'usure et les défaillances, ce qui améliore la qualité des produits et l'efficacité de la production. Dans la fabrication de machines de précision, les composants nitrurés sont utilisés pour les arbres et les manchons de haute précision, garantissant ainsi la précision dimensionnelle et la stabilité structurelle. De plus, ce traitement est largement appliqué dans l'aérospatiale où les composants exigent des performances de surface exceptionnellement élevées.

♦ Carbonitruration

Le procédé de co-enrichissement en carbone et en azote est largement utilisé dans la fabrication de composants de moteurs automobiles, notamment pour les axes de piston et les soupapes. Ce traitement améliore considérablement la résistance à l'usure, les propriétés anti-blocage et la résistance à la fatigue, permettant ainsi aux pièces de supporter les températures extrêmes et les vitesses de fonctionnement élevées requises dans les moteurs. Dans le secteur de la fabrication de machines-outils, le co-enrichissement en carbone et en azote est employé pour améliorer l'état de surface de composants tels que les glissières et les engrenages, améliorant ainsi la précision d'usinage et la durabilité.

⇒ CONCLUSIONS

La cémentation, la nitruration et la nitruration carburitique constituent trois procédés de traitement thermique chimique distincts, présentant des caractéristiques spécifiques en termes de principes de fonctionnement, de paramètres de traitement (température et durée), de microstructures des couches durcies et d'applications. La cémentation est particulièrement adaptée aux composants exigeant une dureté superficielle élevée et une ténacité à cœur modérée. La nitruration vise à améliorer la dureté superficielle, la résistance à l'usure et la résistance à la corrosion, ce qui la rend idéale pour les pièces de précision utilisées dans des environnements difficiles. La nitruration carburitique combine les principaux avantages des deux méthodes, répondant ainsi aux exigences de performances de surface optimales. En pratique, les ingénieurs doivent sélectionner stratégiquement le procédé de traitement thermique chimique approprié en fonction des conditions d'utilisation, des performances requises et du rapport coût-efficacité afin d'obtenir des résultats optimaux.