Caractérisation métallurgique des couches nitrurées

Des calculs thermodynamiques ont été réalisés avec Thermo-Calc à l’instar des alliages in- dustriels afin de connaître la nature et composition des phases présentes à la température de revenu avant nitruration. Les résultats sont donnés dans le tableau 3.7. Les nuances à base de 1 %m. de chrome se caractérisent par un carbure majoritaire de type cémentite alliée M3C avec

une fraction molaire de l’ordre 6,50 %. Lorsqu’on augmente la teneur en chrome, la cémentite est remplacée par un carbure de type M₇C₃ de fraction molaire 5,40 %. L’aluminium ne modifie pas la composition chimique et se trouve entièrement en solution solide de substitution dans la matrice ferritique.

Fe1CrC Fe1Cr02AlC Fe3CrC

Phase Φi α-Fe M3C M7C3 α-Fe M3C M7C3 α-Fe M7C3

%mol. 93,34 6,49 0,17 93,24 6,52 0,24 94,61 5,39 %m. 94,63 5,24 0,13 94,54 5,28 0,18 96,00 4,00 %at. MΦi Fe 99,76 63,42 34,79 99,34 63,46 34,86 99,46 21,96 C 0,01 25,00 30,00 0,01 25,00 30,00 0,00 30,00 Cr 0,23 11,58 35,21 0,22 11,54 35,14 0,54 48,04 Al - - - 0,42 0,00 0,00 - -

Tab. 3.7 – Calculs thermodynamiques Thermo-Calc donnant la répartition des phases et leur composition en fonction de la température de revenu de 590˚C dans le cas des acier synthétiques.

Fig. 3.25 – Spectres de phases par diffraction des rayons X du matériau à cœur de chaque nuance synthétique. Seuls les pics de diffraction utiles à la comparaison ont été indiqués.

a. b.

c. d.

Fig. 3.26 – Micrographies optiques après attaque chimique au nital 3 % de la nuance Fe- 2,93%m.Cr-0,354%m.C nitrurée 100 h à (a.) 500 ˚C, (b.) 520 ˚C, (c.) 10 et (d.) 100 h à 550 ˚C.

Des analyses de phases du matériau à cœur par diffraction des rayons X corrèlent la nature des phases présentes, avec notamment un carbure majoritaire de type M7C3 dans le cas de la

nuance Fe3CrC et M₃C dans le cas de la nuance Fe1CrC (figure 3.25). La composition chimique de ces nuances est relativement proche de celle des aciers industriels avec une fraction molaire initiale de carbures voisine de 6 %. Cependant, la fraction d’éléments d’addition relativement faible en solution solide dans la matrice ferritique est d’ores et déjà remarquable (tableau 3.7). Par exemple, dans le cas du chrome en solution solide dans la matrice ferritique pour une température de revenu de 590 ˚C, un facteur 2 existe entre la nuance synthétique Fe-2,93%m.Cr-0,354%m.C et industrielle 33CrMoV12-9 (facteur 3 si les éléments vanadium, molybdène et manganèse sont considérés).

La figure 3.26 présente des micrographies optiques de la couche nitrurée après attaque chi- mique au nital 3 % dans l’exemple de la nuance Fe3CrC après 100 h à 500, 520 et 550˚C et 10 h à 550˚C. Ces micrographies montrent la structure martensitique initiale, la couche de combinaison (ou couche blanche) et les cent premiers micromètres de la couche de diffusion. L’épaisseur de la couche de combinaison varie entre 15 et 30 µm. Dans le cas de l’alliage à 1 % de chrome, cette épaisseur peut atteindre 30 à 40 µm. Les couches de combinaison se caractérisent également par la présence de porosité. Après 100 h de traitement à 550 ˚C, l’échantillon composé de 3 %m. de chrome présente une porosité aux anciens joints de grains d’austénite à l’interface entre les couches de combinaison et de diffusion jusqu’à une profondeur d’environ 65 µm.

Des observations au microscope électronique à balayage par électrons rétrodiffusés révèlent des ramifications de la couche de combinaison aux joints de grains à l’interface avec la couche de diffusion ainsi que la présence de porosité. Elles sont d’autant plus étendues que la température augmente comme dans l’exemple de la nuance Fe1Cr02AlC de la figure 3.27. Ces ramifications se développent en surface lors de la nitruration d’autant plus que la teneur en éléments d’alliage est faible. En effet, après 10 h de traitement à 550 ˚C, la nuance Fe3CrC ne présente pas de ramifications à l’interface entre les couches de combinaison et de diffusion, tandis qu’elles se sont développées au bout de 100 h (figure 3.28). Au contraire, la figure 3.29 montre des ramifications qui se développent dès 10 h de traitement à 550 ˚C dans le cas de la nuance composée de 1 %m. de chrome et 0,2 %m. d’aluminium.

L’azote diffuse donc d’autant plus, et aux joints de grains, lorsque la teneur en éléments d’alliage diminue. En effet, l’activité de l’azote dépend de la teneur en éléments nitrurigènes en proche surface et les joints de grains sont des chemins de diffusion préférentiels. Par ailleurs, plus les éléments d’addition seront consommés rapidement, plus la diffusion aux joints de grains sera prépondérante avec le temps. La température accentue ces observations du fait de l’activation des cinétiques de diffusion et de réaction des atomes d’azote avec les éléments d’alliage.

Après une nitruration de 10 h à 550˚C, les joints de grains de la nuance Fe3CrC sont consti- tués de cémentite. Suite au traitement de 100 h, la cémentite est remplacée par une précipitation de nitrures de fer. Des analyses de phases par diffraction des rayons X en fonction de la pro- fondeur corrèlent ces observations (figures 3.30 et 3.31). On peut supposer une redistribution du carbone lors de ces modifications microstructurales avec transformation de la cémentite en nitrures de fer au cours du traitement.

Par la suite, afin d’étudier les caractéristiques de nitruration (enrichissement en azote, dur- cissement, contraintes résiduelles), la nuance synthétique Fe-2,93%m.Cr-0,354%m.C est prise comme référence pour deux raisons. Premièrement, elle est la plus représentative de la nuance industriel de nitruration par excellence, à savoir la nuance 33CrMoV12-9. Deuxièmement, la métallurgie à cœur est relativement proche de celle des aciers industriels avec une précipitation majoritaire de carbures de type M7C3/M23C6.

a. b.

Fig. 3.27 – Micrographies au microscope électronique à balayage par électrons rétrodiffusés de la nuance Fe-0,988%m.Cr-0,193%m.Al-0,375%m.C nitrurée 100 h à (a.) 520 et (b.) 550 ˚C.

a. b.

Fig. 3.28 – Micrographies au microscope électronique à balayage par électrons rétrodiffusés de la nuance Fe-2,93%m.Cr-0,354%m.C nitrurée (a.) 10 h et (b.) 100 h à 550 ˚C.

Fig. 3.29 – Micrographie au microscope électronique à balayage par électrons rétrodiffusés de la nuance Fe-0,988%m.Cr-0,193%m.Al-0,375%m.C nitrurée 10 h à 550 ˚C.

Fig. 3.30 – Spectres de phases par diffraction des rayons X à 32 et 55 µm de la surface dans le cas de la nuance synthétique Fe-2,93%m.Cr-0,354%m.C nitrurée 10 h à 550 ˚C. Seuls les pics de diffraction utiles à la comparaison ont été indiqués.

Fig. 3.31 – Spectres de phases par diffraction des rayons X à 35, 56 et 80 µm de la surface dans le cas de la nuance synthétique Fe-2,83%m.Cr-0,354%m.C nitrurée 100 h à 550˚C. Seuls les pics de diffraction utiles à la comparaison ont été indiqués.