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Quelle est la bonne profondeur de pénétration d’un traitement thermique de surface ?

Le choix d’un traitement thermique se fait en fonction, en autres facteurs, du type de matériau à traiter, de la dureté requise, de l'uniformité et de la profondeur de pénétration du traitement.

En général, lors d’un traitement thermique de surface, la profondeur de pénétration du traitement dans les couches superficielles des métaux est comprise entre 0,3 et 1 millimètre. Même s’il est possible d’aller au-delà de ces valeurs avec certains types de traitements de surface, la profondeur de pénétration restera limitée à la couche superficielle. En effet, les caractéristiques de la pièce finale (dureté, résistance à l'usure, à la corrosion, au frottement, etc.) ne dépendent pas uniquement de la profondeur de pénétration, mais aussi de son uniformité (répartition homogène sur toutes les surfaces de la pièce). Celle-ci peut varier selon le traitement thermochimique choisi.

Le choix du traitement est fait sur la base de plusieurs paramètres, entre autres :

  • le type de matériel à traiter (type d’alliage métallique, teneur en carbone de l’acier, présence d'autres éléments d'alliage..), 
  • la dureté requise,
  • l'uniformité et profondeur de pénétration du traitement (en générale la nitruration donne des couches plus dures mais moins profondes que la cémentation),
  • le temps de maintien en température (la cémentation est plus rapide que la nitruration),
  • la forme et dimension des pièces.

Traitements thermochimiques : Cémentation atmosphérique

La cémentation est un procédé qui vise à enrichir en carbone un alliage ferreux (acier), en le chauffant à haute température (900°), dans une atmosphère carbonée (riche en carbone) qui est normalement générée par crackage d’un hydrocarbure (par exemple le méthanol) dans le four. Des atomes de carbone sont alors transférés vers les pièces et se diffusent à travers la couche superficielle du métal. Le traitement est suivi d’une trempe. Une fois ce travail achevé, le métal est plus dur sur sa surface qu’à cœur. La profondeur de pénétration est habituellement comprise entre 0.5 et 1 millimètre.

Traitements Thermochimique : Nitruration

La nitruration est un procédé lent (entre plusieurs heures et une journée entière) qui vise augmenter substantiellement la dureté superficielle d’un acier en le chauffant dans le four à une température intermédiaire (légèrement au-dessus de 500° C), dans une atmosphère riche en atomes d’azote (N2) grâce à la décomposition de l’ammoniac (NH3). Ces conditions favorisent la diffusion des atomes d’azote dans les couches superficielles du métal où ils réagissent avec les atomes de fer pour créer des nitrures. La pièce métallique subit un durcissement en surface uniforme, avec une profondeur de pénétration entre 0,3 et 0,5 mm et présente ainsi une très haute résistance à la corrosion. Il convient de noter qu’après un traitement de nitruration, la trempe n’est pas nécessaire. En comparaison avec la cémentation, la nitruration est un processus beaucoup plus lent, ce qui implique que la couche nitrurée a une plus faible résistance aux contraintes mécaniques et une tolérance réduite aux déformations plastiques.

Traitements Thermochimiques : Mixtes N + C

Ces traitements sont des solutions mixtes qui combinent les deux types de traitements thermochimiques décrits ci-dessus, afin d’obtenir des pièces avec de meilleures propriétés mécaniques et chimiques, et de protection à la corrosion.

La nitrocarburation est une modification du procédé de nitruration (donc à température plus faible) par introduction de deux éléments réactifs N et C à partir du CO2 ou du CH4/C3H8, car la température process ~500 °C n’est pas suffisante pour craquer le méthanol. Le durcissement superficiel est légèrement inférieur à celui de la nitruration, mais en revanche, il est plus rapide et peut s’appliquer à des aciers plus faiblement alliés, donc moins chers.

La carbonitruration est une modification du procédé de cémentation grâce à l’addition d'ammoniac comme élément réactif pour obtenir des éléments N. Ce traitement génère une plus grande dureté de surface de l'acier et de résistance à l'usure.

Traitements Thermochimiques : Cémentation Basse Pression + Trempe Gaz Haute Pression

Le procédé de cémentation peut aussi être effectué à basse pression dans des fours sous vide avec recours à l'acétylène pour générer une atmosphère enrichie en carbone. Les fours sous vide sont plus onéreux que les fours traditionnels, mais l’utilisation de ce procédé présente de nombreux avantages :

  • gain de temps important car il peut être jusqu’à 75 % plus rapide que la cémentation traditionnelle,
  • résultat très uniforme et hautement répétitif,
  • dureté optimale et homogène sur toute la pièce,
  • applicable aux éléments métalliques ayant une géométrie très complexe où les contrôles de dureté superficielle ne sont pas réalisables.

En plus, la cémentation basse pression est généralement suivie par une Trempe au gaz Haute Pression. Ce procédé permet d'éliminer aussi les étapes de dégraissage et nettoyage de la pièce, qui sont obligatoires après une trempe à l'huile.

Les experts Air Liquide sont à votre disposition pour vous renseigner sur les types de gaz les plus appropriés (acétylène, ammoniac haute pureté, azote) pour les différents traitements thermochimiques. Si besoin, ils vous accompagneront dans la réalisation de toutes les installations et en particulier pour la cémentation basse pression et la trempe gaz. N’hésitez pas à les contacter pour plus d’informations.

  

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