Nitruration solide de l’acier 23MCD5
Abdelhalim Brahimi, Moham ed Sidi Mous sa*
Laboratoire de traitements de surfaces et matériaux, LTSM, Université de Saâd Dahleb Blida, B . P no 2 7 0 , R o u t e d e S o u ma a , B l i d a , A l ge r i a
Résu mé.
Cet arti cl e étude l a possibilit é de réali ser la nitrurati on s olide, pour l’acier 23MCD5. Le traitement s’est déroulé à 550°C pour des temps vari ant de 6 à 12 heures . Les échanti llons ont été caractéris és par micros copie opti que, DRX, et t est de mi croduret é. Les couches obt enue s ét aient t ypiques , mais l eurs épaiss eurs ont ét é plus faibl es à cell es obt enues par les t raitem ent s de nitrurati on cl assi ques. ε-Fe2 - 3N ét ait l a seul e phase prés ent e dans la couche de com binaison. Le coeffi ci ent de diffusi on a été cal cul é pour la t empérat ure sus-cit ée en utilis ant l e logi ciel GRAP HPAD PR ISM et a été 4.698 × 10 - 5 cm 2.h - 1
1. In trodu cti on
La nitruration est un traitement thermochimique où l’azote diffuse dans un s ubst rat ferreux [1]. Il peut êt re réali sé par un nombre de mét hodes:
nitruration gazeus e [2], ionique [3,4] , en bain de s el [5], ou par implantation d’ions [6]. Bien que la nitruration gazeuse soit maîtrisée depuis l e début du 20è m e siècl e [7,8], son inconvénient maj eur est l e temps prolongé requis pour la formation d’une c ouche nitrurée convenabl e [9]. En out re, tout es l es méthodes cit ées précédemm ent requi èrent un équipement sophist iqué et un personnel qualifié.
La nit rurat ion soli de, (ou en caisse), est un processus qui consist e à ent errer la pièce à traiter dans un mili eu poreux cont enant un agent nitrurant convenabl e [10]. Le mi lieu et l a pi èce sont chauffés et maint enus à haut es température s , généralem ent entre 500°C et 550°C.
Durant le t raitement, une couche de combi naison et une zone de diffusi on se développent à la surface de la pièce t raitée. La couche de combinaison confère à la surface une bonne résistance à l’usure et la corrosion, t andis que l a zone de di ffusi on amél iore sa résis tance à la fat i gue [11]. C et arti cl e prés ent e l es résultant s expérim entaux et dis cut e brièvement la réponse de l’acier 23MCD5 à la nitruration solide.
2. Procédu re expéri men tal e:
La nuance d’acier 23MCD5 est utilisée dans cette étude, sa composition chimi que (pourcent ages en m ass e) est la suivant e: 0.32% C, 1.25% Mn, 0.60% C r, 0.30% M o, 0.25% S i, et le fer en rest e. Les échantillons ont été austénitisés à 1000°C pendant 1 heure puis trempés à l’huile à la température am biant e s ans revenue, comme m entionné dans une étude précédente [12], avant d’être nitrurés.
2.1 T raitemen t:
La poudre de ni truration a été fourni e par l’académ ie pol yt echni que de Biélorussie, et bien que la composition de cette poudre n’a pas été rendue publique, il est su que ça conti ent des composes ri ches en az ote,
carbone, et bore ainsi qu’un ou plusieurs activateurs.
Dans un boiti er m ét allique rempli de poudre, les échantill ons ont ét é enterrés dans la substance granulée, le couvercle du boitier n’est pas complètement étanche, ainsi la quantité d’air pénétrant dans l’ensemble boiti er -échantill ons a ét é mi s dans un four à moufl e chauffé à une température de 550°C pour des t emps di fférent (6, 8, 10, et 12 heures ).
Après traitement, le boitier a été ressorti du four et refroidi à l’air libre jusqu’à la température ambiante.
2.2 Caractéris ation :
La caract éris ati on microst ru ctural e a été m enée sur des s ect ions transvers al es en utili sant un mi cros cope optique Carl Zeiss de t ype Axio Tech 100. Le polissage des surfaces d’échantillons a été effectué en utilis ant du papi er émeri de granulomét ri es: 200, 400, 600, et 1200 et en finis sant avec la pât e d’alumi ne. Avant observat ion, l es échantil lons ont ét é att aqués en utili sant une solut ion à 5% de nit al. Les mi crographi es ont ét é pris es en util isant un apparei l photo Zeis s Axio Cam .
Pour la DRX, un diffractomètre X’PERT PRO MPD qui e mploie les radiations CuKα a été utilisée. La diffraction a été effectuée en choisiss ant un pas angul aire de 0.02° et dans un int ervall e de 30° -140°.
3. Résultats et dis cu ssions :
Figur e.1 Micro gr ap hie o ptiq ue d ’un échantillo n traité po ur 12 heur es.
A l’extrêm e surface (fi gure1 ), on not e une couche de combinais on (couche blanche), qui n’est pas attaquée par le natal, claire et uniforme pour la m ajorit é des plages observes, la non uni formit é de cett e couche dans cert ains pl ages est expliquées par une ru gosi té de la s urface. La couche de com binais on des échantillons t rai t és avait une épai sseur al lant de 5 à 11µm par l es di fférent s t emps de trait em ent . Une épai ss eur maximal e a ét é att ei nte pour l e temps de traitement de 12h et a ét é 11µm comm e cit é précédemment . Sous la couche de combi naison, on const at e l’existence d’une zone noircie par le n ital, c’est la zone de diffusion dont épaiss eur vari e ent re 134 et 181µm . Les limit es de cet t e zone sont difficilement distinguées, ce qui est commode, et l’ép aisseur maximale
att eint e (181µm ) a ét é obt enue pour l e temps de 12h.
Avec un grossis sem ent plus fort, on const at e l’existence des nit rures dispersés dans l a phas e ferri tique (nit roferrit e). Enfi n, l e m étal de bas e apparaît sous la z one de di ffusi on, l a d i fférence ent re l’épaiss eur conventionnell e obt enue par les profils de microduret é, et cel le obt enue par l’imagerie optique est une conséquence des limites du microscope optique, c’est-à-dire qu’on est en présence d’une sous -couche qui a été le siège d’une diffusion limitée.
3.1 Mi crodu reté:
F i g ur e . 2 P r o fi l e d e mi c r o d ur e t é
La microdureté en fonction de l’épaisseur de l’échantillon est montré e sur l a fi gure. 2. C ett e fonction est toujours décroiss ant e, ceci est évident , vu l a prés ence des nit rures s eul em ent dans la part ie superfi ci ell e de l’échantillon et leur absence au cœur du matériau traité.
3.2 Cin étiqu e d e la formati on d es cou ches:
La cinétique de crois sance des couches de di ffusion s uit la loi paraboli que conventi onnell e donnée par l a relati on:
Dt e
Où:
e : épai ss eur de l a couche obt enue par trai tem ent
D: coeffi ci ent de di ffusi on spécifi que pour chaque t empérat ure.
t: temps de t rai tem ent.
Pour déterminer le coefficient de diffusion, on a considéré l’épaisseur conventionnell e com me étant cell e all ant de l a surface trait ée jusqu’à la profondeur ayant une dureté supérieure à celle de cœur de 50Hv.
En utilis ant l e logi ciel GRAP HPAD PR ISM, et en exploi tant les profils de mi croduret é, l e coeffi ci ent de di ffusi on a ét é calcul é et a é t é 4.698 ×
10 - 5 cm 2.h - 1 (Fi gure.3), ceci pour l a t empérat ure de t rait em ent de 550°C .
F i g ur e . 3 E p a i s s e ur d e l a c o uc he d e d i f f u s i o n e n fo nc t i o n d u t e mp s d e t r a i t e me n t
3.3 Résul tats d e l ’analys e par DRX:
F i g ur e . 4 A n a l ys e p a r D R X
Comme l e mont re la fi gure .4, l a seul e phase exist ant e est ε-Fe2 - 3N dans la m atrice Fe-α, il est parti cul ièrement i ntéressant que γ’ -Fe4N n’est pas présente, on pense que c’est une spécificité du processus. Aussi, on peut s’attendre à une résistance à l’usure élev ée vu les propriétés tribologiques de la phase ε-Fe2 - 3N formée.
4. Con clusion:
On peut ti rer les conclus ions suivant es de ce prés ent travail:
- La nit rurat ion soli de est réalis abl e pour l’aci er étudié. Les couches obt enues sont t ypiques, mais avec des épaiss eurs moi ndres par rapport aux m éthodes cl assi ques (gaz eus e, ionique, ou en bains de sel s).
- La DR X a mont ré que la couche de com binaison est compos ée
seul em ent du nit rure ε-Fe2 - 3N, ce qui est une spécifi cit é du processus.
- Le coeffici ent de di ffusi on a ét é calculé en utilis ant l e l ogi ci el GRAP HPAD PR ISM, sa val eur a été 4 .698 × 10 - 5 cm 2.h - 1 pour la température de 550°C.
Réf éren ces:
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[2]. Keddam M., Djeghlal ME, Barrall ier L, A di ffu sion model for simulation of bilayer growth (ε/γ ') of nitrided pure iron Mater Sci Eng A 378 (2004) 475 -8 .
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[5]. Li G et al. , Influence of salt bath ni trocarburizing and post - oxidation proces s on surface mi crost ructure evoluti on of 17 -4P H stai nless s teel , J Mat er Proc Tech 207 (2008) 187 –92
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[11]. Source Book on Nit ri ding, ASM M et als P ark, OH, 1977.
[12]. M ridha S, Khan AA., The effect of process vari ables on the hardnes s of nit rided 3% chromium st eel , J Mater Proc Tech 201 (2008) 325-30.
