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Analyse et technologie des surfaces
La figure 12.4 montre que, en effet, toute non-uniformité de la couche de composition définie peut être attribuée à une non-uniformité de la température.
12.5.4 Nitruration
La nitruration des aciers est une technologie bien établie pour l’amélioration
des propriétés mécaniques, tribologiques et électrochimiques des aciers.
Des procédés ont été développés pour plusieurs médias vecteurs: sels fondus
(en voie de disparition), gaz, plasma, ultravide.
Dans la nitruration gazeuse, on met les pièces à nitrurer dans un four avec
chauffage électrique avec une atmosphère contrôlée à base d’ammoniaque, d’azote,
d’hydrogène et d’argon. L’azote et l’ammoniaque réagissent avec la surface chaude
pour former une interphase d’azote chimisorbé. On suit donc la route de physisorption de la figure 12.2. L’hydrogène joue un rôle de catalyseur et de régulateur du
potentiel chimique de l’azote dans la phase gazeuse. L’azote forme des composés
définis avec les métaux présents dans la région superficielle. L’équilibre des phases
pour des pressions partielles d’azote et d’hydrogène données se calcule à partir des
enthalpies de formation. Simultanément on observera la transformation progressive
des carbures des éléments d’alliages carburogènes et de la cémentite en carbonitrures et nitrures. Cette nitruration ainsi que la saturation de la matrice en azote libèrent du carbone qui diffuse vers l’intérieur du substrat. Quand la concentration
d’azote dépasse la solubilité, on observe une précipitation de nitrures de fer et ou
des éléments d’alliages comme le chrome ou l’aluminium sous deux formes: croissance de la couche de composé par nucléation homotaxique de nitrures et précipitation de nitrures aux joints de grains. Cette précipitation de nitrures aux joints de
grains ainsi que la précipitation de cémentite provoquée par le carbone libérée causent une fragilisation de la zone de diffusion. La fragilisation peut être réduite par
un recuit successif. Les nitrures les plus importants du fer observés sont le ε -Fe 2 N
et le γ '-Fe 3 N 4 .
Le traitement théorique de la nitruration est un sujet envoûtant de par sa complexité. En effet, il s’agit d’un procédé hors d’équilibre et non stationnaire, dans
lequel plusieurs phénomènes imposent leurs cinétiques en parallèle (fig. 12.2).
D’une part, nous avons la diffusion non stationnaire de l’azote de la surface
vers l’intérieur de la pièce, qui suit le même traitement que celui d’oxydation traitée
plus haut. Cette diffusion détermine la profondeur de nitruration qui est proportionnelle à √ kT.
D’autre part, nous avons la croissance de la couche de nitrure superficielle, qui
est en compétition avec la diffusion de l’azote dans l’acier (tandis que l’oxygène ne
pouvait pas diffuser dans le silicium).
La diffusion de l’azote dans l’acier est en compétition avec la précipitation de
nitrures et la nitruration des carbures des éléments d’alliage.
Finalement il y a la précipitation de carbures, qui tend à bloquer la diffusion.
Analyse et technologie des surfaces
La figure 12.4 montre que, en effet, toute non-uniformité de la couche de composition définie peut être attribuée à une non-uniformité de la température.
12.5.4 Nitruration
La nitruration des aciers est une technologie bien établie pour l’amélioration
des propriétés mécaniques, tribologiques et électrochimiques des aciers.
Des procédés ont été développés pour plusieurs médias vecteurs: sels fondus
(en voie de disparition), gaz, plasma, ultravide.
Dans la nitruration gazeuse, on met les pièces à nitrurer dans un four avec
chauffage électrique avec une atmosphère contrôlée à base d’ammoniaque, d’azote,
d’hydrogène et d’argon. L’azote et l’ammoniaque réagissent avec la surface chaude
pour former une interphase d’azote chimisorbé. On suit donc la route de physisorption de la figure 12.2. L’hydrogène joue un rôle de catalyseur et de régulateur du
potentiel chimique de l’azote dans la phase gazeuse. L’azote forme des composés
définis avec les métaux présents dans la région superficielle. L’équilibre des phases
pour des pressions partielles d’azote et d’hydrogène données se calcule à partir des
enthalpies de formation. Simultanément on observera la transformation progressive
des carbures des éléments d’alliages carburogènes et de la cémentite en carbonitrures et nitrures. Cette nitruration ainsi que la saturation de la matrice en azote libèrent du carbone qui diffuse vers l’intérieur du substrat. Quand la concentration
d’azote dépasse la solubilité, on observe une précipitation de nitrures de fer et ou
des éléments d’alliages comme le chrome ou l’aluminium sous deux formes: croissance de la couche de composé par nucléation homotaxique de nitrures et précipitation de nitrures aux joints de grains. Cette précipitation de nitrures aux joints de
grains ainsi que la précipitation de cémentite provoquée par le carbone libérée causent une fragilisation de la zone de diffusion. La fragilisation peut être réduite par
un recuit successif. Les nitrures les plus importants du fer observés sont le ε -Fe 2 N
et le γ '-Fe 3 N 4 .
Le traitement théorique de la nitruration est un sujet envoûtant de par sa complexité. En effet, il s’agit d’un procédé hors d’équilibre et non stationnaire, dans
lequel plusieurs phénomènes imposent leurs cinétiques en parallèle (fig. 12.2).
D’une part, nous avons la diffusion non stationnaire de l’azote de la surface
vers l’intérieur de la pièce, qui suit le même traitement que celui d’oxydation traitée
plus haut. Cette diffusion détermine la profondeur de nitruration qui est proportionnelle à √ kT.
D’autre part, nous avons la croissance de la couche de nitrure superficielle, qui
est en compétition avec la diffusion de l’azote dans l’acier (tandis que l’oxygène ne
pouvait pas diffuser dans le silicium).
La diffusion de l’azote dans l’acier est en compétition avec la précipitation de
nitrures et la nitruration des carbures des éléments d’alliage.
Finalement il y a la précipitation de carbures, qui tend à bloquer la diffusion.